Кости, скалы и звезды. Наука о том, когда что произошло

Открытие радиоактивности повлекло за собой обнаружение еще целого ряда новых химических элементов в начале XX в. К урану (открытому в 1789 г.) добавились радий, полоний, радон и торий. Может быть, с их помощью удастся установить возраст Земли? В 1907 г. Резерфорд выдвинул гипотезу, что газ гелий является побочным продуктом радиоактивного распада, — и год спустя она подтвердилась. Если предположить, что гелий после образования удерживается в горной породе и что скорость его образования поддается учету, можно вычислить время остывания и затвердевания породы (тот же принцип, что в калиево- и аргонно-аргоновом методах).

Резерфорд проверил это предположение на практике. Нагрев кусок минерала под названием торианит, он собрал выделившийся гелий и подсчитал, что данный образец должен был сформироваться по меньшей мере 500 млн лет назад. Теория Кельвина была разбита в пух и прах. А ведь Резерфорд взял не самый древний образец камня, так что возраст получился минимальным.

Со временем физики установили целую серию различных элементов, образующихся при распаде урана, — так называемую «цепочку распада». Важно отметить, что единственным известным тогда изотопом урана был ²³⁸U, чей период полураспада равнялся 4,5 млрд лет. Наконец у ученых появилась машина времени, способная перенести их к заре времен. Геологи обрели способ определить возраст Земли.

* * *

До сих пор я старался избегать научных определений изотопов — с непривычки они могут показаться тяжеловатыми. Однако теперь мы вплотную подошли к тому моменту, когда без них не обойтись, иначе будет непонятно, как все-таки определили возраст Земли. Дальше разные изотопы одних и тех же элементов пойдут сплошным потоком, поэтому будьте внимательны, не перепутайте. Следите за верхними индексами перед всеми нашими U и Pb. А я постараюсь свести их количество к минимуму.

В 1905 г. американский ученый Бертрам Болтвуд выяснил, что конечным продуктом цепочки распада урана является свинец. И у него возникла идея нового способа датировки горных пород. К 1906 г. Болтвуд раздобыл 26 образцов различных горных пород, которые намеревался датировать ураново-свинцовым методом.

Метод основывается на том, что по мере прохождения атомом цепочки распада радиоактивный распад принимает разные формы. Переход атомов из одной формы в другую сопровождается выбросом гелия, электронов или других форм энергии, и в конечном итоге появляется стабильный изотоп свинца — ²⁰⁶Pb. Исходя из того, что изначально, при кристаллизации минералов, в образцах свинец не содержался, Болтвуд, измерив соотношение между ураном и свинцом, подсчитал, что данные куски породы образовались около 570 млн лет назад. Теперь минимальный возраст Земли, определенный Резерфордом, уже не казался таким нелепым.

Доводить дело до конца — причем почти в одиночку — и вычислять возраст Земли с помощью радиоактивных изотопов выпало британскому геологу Артуру Холмсу. Начиная с 1911 г. он работал над определением возраста Земли и созданием временной шкалы для всех открытых учеными геологических рубежей, которые оставались без датировки. Возраст Земли по-прежнему мог оказаться абсолютно любым. И если измышления епископа Ашшера в расчет уже не брали, то у Кельвина в некоторых кругах еще находились сторонники. К 1931 г. Холмс утверждал, что возраст Земли располагается где-то в промежутке от 1460 млн до 3000 млн лет.

К концу 1920-х Резерфорд обнаружил еще один, доселе неизвестный изотоп урана — ²³⁵U, дающий при распаде свою собственную стабильную разновидность свинца, ²⁰⁷Pb. Помимо него был открыт еще один изотоп свинца — ²⁰⁴Pb, не являвшийся, впрочем, продуктом распада урана. Его концентрация со времен образования Земли никак не изменилась. Что бы ни происходило с ураном, на количестве ²⁰⁴Pb это не отражалось никак.

И тогда пришло осознание одного очень важного фактора. Поскольку период полураспада ²³⁵U составляет 704 млн лет, он распадается в шесть раз быстрее ²³⁸U. То есть в конечном итоге чем старше образец породы, тем выше изначальное содержание ²³⁵U и тем больше образуется ²⁰⁷Pb. Учитывая, что два разных изотопа урана образуют разные изотопы свинца, соотношение ²⁰⁷Pb к ²⁰⁶Pb тоже будет расти со временем. Поэтому для определения возраста уже не требовалось знать количество урана, достаточно было подсчитать соотношение разных изотопов свинца. В теории, разумеется. Все упиралось в необходимость выяснить изначальное соотношение на момент формирования Земли, до того, как на их количество повлиял распад урана. Требовалась отправная точка — образец, не содержащий уран.