Великий квест. Гении и безумцы в поиске истоков жизни на Земле

За два следующих века ученые выяснили, что горные породы земной коры образуют отдельные слои и что более глубокие слои старше тех, которые расположены ближе к поверхности. Каждый из слоев относится к определенному периоду истории Земли – этим периодам позже дали названия, такие, к примеру, как “юрский”. К середине XIX столетия геологи (включая Чарльза Лайеля) пришли к выводу, что слои образовались в ходе длительного и постепенного отложения мелких частиц, – но вот установить их точный возраст возможным пока не представлялось.

Одно из первых кропотливых вычислений выполнил в XIX веке физик Уильям Томсон, который позже получил дворянский титул и стал известен как первый лорд Кельвин. Томсон был убежденным христианином и скептически относился к теории эволюции Дарвина. Однако он был еще и экспертом в области термодинамики – науки о тепле и о том, насколько быстро остывают те или иные объекты. Кельвин начал с предположения, что исходно Земля была очень горячей, – ведь ее более глубокие слои до сих пор имеют гораздо более высокую температуру. Это навело ученого на мысль, что наша планета остывает. В 1864 году он примерно оценил ее возраст: Земле от 20 до 400 миллионов лет^[32]. Судя по наблюдаемой температуре, старше она быть не могла. К 1897 году Кельвин остановился на 20 миллионах.

Кельвин тоже безнадежно ошибался, но, опять-таки, в этом не было его вины. Одним из эпохальных открытий того времени стала радиоактивность, о которой впервые услышали лишь в 1896 году. В недрах Земли покоится множество радиоактивных горных пород, которые излучают тепло, – но Кельвин об этом ничего не знал. Он считал, что и Солнце столь же молодо, ведь в то время никто не мог вообразить, что звезда может сиять многие миллионы лет. Все изменило открытие в 1930-е годы ядерного синтеза. Стало понятно, что Солнце является колоссальным источником энергии и может оказаться очень древним, – и такой же древней может оказаться наша Земля^[33].

Открытие радиоактивности оказалось ключом к получению правильной оценки возраста Земли. Это весьма любопытная история, однако мы сразу перейдем к ее развязке. В начале XX века физики выяснили, что некоторые атомы нестабильны и склонны разрушаться (или распадаться) на более мелкие и устойчивые атомы. При этом высвобождаются очень маленькие порции радиации.

Дело в том, что атом не является единой частицей, как это считали на протяжении длительного времени. В действительности он “сделан” из более мелких частиц трех типов. Всякий атом имеет центральную часть – ядро, состоящее из специфического для него числа протонов и нейтронов. Это ядро окружено “облаком” электронов. Вся суть атома заключена как раз в его ядре, поскольку протоны и нейтроны в нем должны быть упакованы строго определенным образом. И если частиц того или иного сорта в нем слишком мало или слишком много, то такое ядро становится нестабильным.

Каждый из радиоактивных элементов распадается с вполне определенной скоростью. Представьте, что у вас есть слиток урана-238 (самой распространенной разновидности урана) и что в этом слитке ровно 1000 атомов. Потребуется 4468 миллионов лет для того, чтобы половина их (то есть 500) распалась с образованием атомов свинца. Далее потребуется еще 4468 миллионов лет для распада половины оставшегося урана (250 атомов) – и так вновь и вновь вплоть до момента, когда урана уже не останется и слиток окажется полностью свинцовым. Этот период в 4468 миллионов лет, за который содержание урана-238 убывает вдвое, называют его периодом полураспада (англ. half-life). Поскольку каждый радиоактивный элемент имеет собственный период полураспада (установленный в эксперименте и постоянный), эта характеристика может быть использована для датировки горных пород (то есть оценки их возраста). Первым прошел по этому пути американский радиохимик Бертрам Болтвуд, измеривший в 1907 году соотношение урана и свинца в горных породах и заключивший, что им по меньшей мере 400 миллионов лет^[34].

Однако вскоре стало понятно, что в действительности проблема гораздо сложнее. Оказалось, что уран – не единственный радиоактивный элемент, который распадается с образованием свинца. К тому же существует несколько разновидностей самого урана, и все они распадаются с разной скоростью.

Проблему, причем практически единолично, решил “тихий и непритязательный” Артур Холмс^[35]. Свою первую статью он опубликовал в 1911-м, всего через два года после окончания университета. В ней Холмс описал успешную датировку горной породы девонского периода – тех времен, когда широко распространились первые наземные растения, а океан заполонили первые рыбы. Холмс сделал вывод, что его образцам 370 миллионов лет, – и это число соответствует девонскому периоду в современном понимании^[36].