Основы реальности. 10 фундаментальных принципов устройства Вселенной

Радиоактивное датирование основано на существовании изотопов, то есть атомов одного вещества, ядра которых содержат одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Атомы с такими ядрами обладают почти одинаковыми химическими свойствами, но многие из них нестабильны. Их ядра распадаются, причем каждое имеет характерное время жизни — и нередко у разных изотопов одного вещества оно различается очень существенно. Эти две характеристики — одинаковые химические свойства и разное время жизни — используют для радиоактивного датирования.

Остановимся на одном важном примере радиоактивного датирования — с использованием углерода. Наиболее распространенный изотоп углерода ¹²C («углерод-12») содержит шесть протонов и шесть нейтронов; его ядра очень стабильны. А вот другой важный изотоп — ¹⁴C («углерод-14») — нестабилен, или «радиоактивен».

Время полураспада изотопа ¹⁴C составляет примерно 5730 лет. Это значит, что, если образец материала содержит атомы ¹⁴C, через 5730 лет половина из них исчезнет. Распадаясь, ядра ¹⁴C испускают электроны и антинейтрино и превращаются в ядра азота (¹⁴N). Процессы такого типа — радиоактивность и слабое взаимодействие — мы обсудим подробнее ниже.

Конечно, мы не должны ждать 5730 лет, чтобы свериться с этой картиной. Даже очень маленькие органические образцы содержат много атомов углерода, и за малые интервалы времени можно зафиксировать много радиоактивных распадов. Изучая выход электронов, мы видим, что за равные промежутки времени распадается равная доля имеющихся в образце ядер ¹⁴C.

Поскольку возраст Вселенной гораздо больше 5730 лет, возникает вопрос: почему этот изотоп вообще еще существует? Ответ таков: под действием космических лучей в атмосфере образуются новые ядра ¹⁴C. Так компенсируется его распад и поддерживается определенный баланс между изотопами ¹⁴C и ¹²C[33].

Живые существа поглощают углерод либо непосредственно из атмосферы, либо вскоре после того, как он растворился в воде. Усвоенный ими углерод отражает текущее соотношение ¹⁴C/¹²C в атмосфере. Но после того как углерод встраивается в тела живых существ, количество распадающегося изотопа ¹⁴C больше не пополняется, и со временем его доля предсказуемо уменьшается. Таким образом, измеряя в биологическом образце соотношение ¹⁴C и ¹²C, можно определить, когда существо, «поставившее» данный образец, было живым и могло усваивать углерод.

Есть два способа измерить это соотношение на практике. Поскольку изотопа ¹²C всегда гораздо больше, чем ¹⁴C, хорошую оценку количества ¹²C можно получить, просто взвесив весь углерод. Чтобы оценить имеющееся количество ¹⁴C, можно измерить радиоактивность, то есть скорость испускания электронов. Поскольку относительное количество распадов ядер ¹⁴C за конкретный интервал времени известно, это измерение позволяет сделать вывод о содержании изотопа ¹⁴C.

Более современный метод — поместить образец в ускоритель, где, используя разницу в движении изотопов ¹⁴C и ¹²C в сильных электрических и магнитных полях, их можно разделить механически. Оба метода дают согласующиеся результаты.

Датирование с использованием углерода широко применяется в археологии и палеобиологии. Так удалось определить возраст египетских и неандертальских артефактов, в том числе мумий. Время создания некоторых египетских памятников можно проверить по историческим источникам, и такая проверка согласуется с датировкой углеродным методом. Неандертальцы не оставили исторических документов, но благодаря углеродному методу датирования мы знаем, что они населяли Европу в течение нескольких сотен тысяч лет и жили там еще совсем недавно, всего около сорока тысяч лет назад.

Мы также можем датировать кости и артефакты, оставленные нашими далекими предками — Homo sapiens. По ним мы узнаём, что человек разумный существует уже около трехсот тысяч лет. Самые ранние свидетельства очень редки, что указывает на малочисленность Homo sapiens: поначалу наш вид был не слишком успешным.

Есть много способов проверить такую датировку. Можно построить лестницу времени, сходную с лестницей расстояний, о которой речь шла выше. Простой, классический и очень красивый пример — старые деревья. Поскольку в разные сезоны клетки непосредственно вблизи коры функционируют по-разному, у деревьев каждый год образуются новые, хорошо заметные кольца. По ним можно убедиться, что с помощью углеродного метода мы правильно определяем как относительный возраст каждого кольца, так и возраст дерева.