Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом - Хелфанд Дэвид - Страница 31

Эти точные данные с высоким разрешением позволили обнаружить почти неуловимые эффекты в атмосферной концентрации ¹⁴C. Например, существует небольшая, но твердо установленная разница между Северным и Южным полушариями. Небольшие изменения наблюдались и в местах, где подъем глубинных вод океана выносит воду (и растворенный CO₂) на поверхность. В этой воде, которая на протяжении долгих тысячелетий не имела возможности газообмена с атмосферой, наблюдается низкое соотношение ¹⁴С из-за доли, претерпевшей распад, и при попадании в воздух она снижает содержание изотопа ¹⁴С в окружающей среде.

Существуют даже аномалии ¹⁴C, выявленные в течение одного года, такие как событие Мияке 774–775 годов, во время которого произошел внезапный всплеск концентрации ¹⁴C на 1,2 % (более чем в двадцать раз превышающий типичные колебания от года к году)⁷. Начало этого события не установлено, но можно с уверенностью сказать, что оно заняло меньше года; после этого внезапного повышения концентрация ¹⁴C постепенно вернулась к нормальному уровню примерно за двадцать пять лет. В качестве еще одного доказательства того, что некое событие, произошедшее в 774 году нашей эры, привело к попаданию в атмосферу многих частиц высокой энергии, можно вспомнить, что в керне антарктического льда наблюдается совпадающий выброс радиоактивного изотопа Бериллия‐10, также возникающего в ходе взаимодействия космических лучей с атмосферой. Любопытно, что в «Англосаксонской хронике» за этот год говорится:

В том году нортумбрийцы изгнали своего короля Элреда из Йорка на Пасхальной неделе и выбрали вождем Этельреда, сына Мулла, который правил четыре зимы. Также в тот год в небесах являлось алое распятие после заката⁸.

Наиболее вероятное объяснение этого всплеска в образовании ¹⁴С – грандиозная солнечная вспышка, возможно, в сто раз более мощная, чем самая крупная из тех, какие наблюдались в наше время (событие Кэррингтона 1859 года – см. гл. 11, где мы поговорим о разрушительных последствиях, которые такое событие могло бы иметь в наши дни). «Алое распятие» можно объяснить драматичным появлением северного сияния (в сочетании с разумной дозой средневекового воображения).

Установление точного возраста по древесным кольцам помогает решить трудную проблему – определить соотношение ¹⁴C/¹²C на момент гибели растения или животного и внести в датировку при помощи изотопа ¹⁴C поправку, после которой точность датирования составляет примерно десять-двадцать лет. Поэтому полученные значения возраста имеют погрешность в несколько десятых процента или меньше за всю историю человеческой цивилизации.

Измерение крошечных образцов

Теперь подошло время вернуться к датировке нашего древнего Корана. Последний вопрос заключается в том, как подсчитать количество присутствующих в образце атомов ¹⁴C. В 1946 году, когда Уиллард Либби изобрел радиоуглеродное датирование, это можно было сделать только одним способом – подсчитав число высокоскоростных электронов, испускаемых при бета-распаде каждого атомного ядра (электроны имеют широкий диапазон энергий, значения которых сосредоточены вокруг отметки примерно в 50 000 эВ). Учитывая, что период полураспада ¹⁴C равен 5730 годам (или около 3 миллиардов минут), потребовалось бы 6 миллиардов ядер ¹⁴C для хотя бы одного распада в минуту (поскольку половина из них распадается за один период полураспада). Начнем с того, что среднее соотношение ¹⁴C/¹²C составляет 1 к триллиону, а значит, нужно будет провести измерения 10 000 распадов, чтобы снизить статистическую погрешность до уровня 1 %⁹. Таким образом, для этого метода потребуется образец пергамента массой не менее 15 граммов – столько весят несколько рукописных страниц¹⁰. Ни один директор музея не захочет знать возраст драгоценного предмета в своей коллекции настолько сильно, чтобы позволить увезти его в физическую лабораторию ради неизвестно каких нечестивых целей.

Для современного радиоуглеродного датирования при помощи изотопа ¹⁴C требуются значительно меньшие образцы, а атомы подсчитываются напрямую, без необходимости дожидаться их распада, благодаря использованию ускорительного масс-спектрометра (вспомните, как в главе 5 мы упоминали это устройство, которое изобрел Фрэнсис Астон). Углерод извлекают, превращая его в графит (с помощью сжигания или химических методов), затем ионизируя атомы и ускоряя их до высоких энергий. Несомненно, это требует разрушения образцов, но они в тысячи раз меньше, и их масса измеряется не в граммах, а в миллиграммах.

Пучок атомов высокой энергии проходит через магнитное поле, которое распределяет атомы по массе, при этом более массивные изотопы отклоняются не так сильно (см. рис. 8.1). Всего 0,01 грамма материала достаточно, чтобы получить миллионы атомов ¹⁴C в образце возрастом 35 000 лет¹¹. Как мы увидим в последующих главах, ускорительный масс-спектрометр – это бесценный инструмент для подсчета как стабильных, так и радиоактивных изотопов, используемых для воссоздания истории.

Рис. 8.1. Принцип действия ускорительного масс-спектрометра. Образец испаряется, а его атомы ионизируются, поэтому все они представляют собой положительно заряженные ионы. Ими выстреливают вправо, где они попадают в магнитное поле (оно направлено перпендикулярно странице и представлено маленькими кружками). Заряженные частицы отклоняются магнитным полем, и величина отклонения зависит от массы иона. Таким образом, детекторы для сбора можно размещать на разном расстоянии от источника ионизации и распределять ионы разной массы по детекторам в зависимости от последней

Возраст Корана

Теперь, когда мы объяснили, как образуются атомы ¹⁴C, а также подробно поговорили о точном определении скорости их образования и описали способы их подсчета, можно вернуться к нашему обманчивому заголовку, с которого началась эта глава. Напомним, что период, установленный при помощи радиоуглеродного датирования, пришелся на время с 568 по 645 год нашей эры. Во-первых, нам следует установить, что означает этот диапазон: это утверждение, согласно которому истинный возраст с вероятностью 95 % окажется в этих пределах и с вероятностью 5 % – либо древнее, либо моложе. Если бы мы хотели добиться достоверности более 99 % (минимум, который принимается в физике), пришлось бы расширить диапазон до 549–663 годов нашей эры¹² (вспомним, что Мухаммед умер в 632 году). Более того, дата отмечает не годы написания рукописи, а время, когда умерла овца, коза или теленок, из чьей шкуры был изготовлен пергамент.

У нас нет метода, позволяющего датировать чернила. Впрочем, мы обстреляли манускрипт рентгеновскими лучами, возбудив электроны в молекулах чернил, сумели пронаблюдать, как они возвращаются на свои места (испуская фотоны с уникальными длинами волн, специфическими для каждого элемента, который содержался в чернилах), и так установили, что красные чернила – это свинцовый сурик (такие применялись по крайней мере с 300 г. до н. э.), а коричневые – это железо-галловые чернила, в которых сульфат Железа смешан с экстрактом дубовых галлов (наростов на древесных листьях, возникших в ходе деятельности личинок ос; такие чернила используются с начала V века). Ничего необычного в этом нет. Направляя на страницы свет с разной длиной волны (как видимый свет, так и ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, недоступное человеческому зрению), ученые показали, что на этом пергаменте, в отличие от многих старых манускриптов, нет никаких следов присутствия каких-либо предыдущих записей – все выглядит так, словно шкуру изначально готовили исключительно для этой цели.