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

Эти цифры удостоились пристального внимания нескольких выдающихся ученых, в том числе Альфреда Уоллеса, которому, как и Дарвину, не давали покоя предположения относительно возраста Земли. В своих подсчетах Уоллес исходил из того, что докембрий, когда жизни на Земле еще не было, длился в три раза дольше кембрия, а значит, жизнь на Земле существует 24 млн лет и общий возраст Земли — 96 млн лет. Уоллес думал, что наконец примирил противоборствующие стороны. С одной стороны, удовлетворено предположение Дарвина о длительном периоде, предшествующем появлению жизни; с другой — цифра не противоречила оценке Кельвина в 98 млн лет. Дарвина, впрочем, это не убедило.

Тем временем многие британские и американские геологи начали подбираться к проблеме с другого бока. Они попытались определить возраст независимым путем, подсчитав совокупную толщину всех известных геологических объектов и прикинув предположительную скорость образования отложений. В литературе замелькал калейдоскоп цифр: в 1860 г. возраст долины Ганга был определен как 96 млн лет, а в 1878 г. возраст Земли — как 200 млн лет. Однако ни один из этих результатов особого резонанса не вызвал, поскольку цифры все равно получались весьма приблизительные и проходили по нижней границе возраста.

Еще в XVIII в. британский астроном Эдмонд Галлей усомнился в правильности возраста Земли, названного епископом Ашшером. Галлей утверждал, что с учетом скорости эрозии Земля должна быть гораздо старше 6000 лет. Он предложил альтернативный способ определения возраста, основанный на наблюдении, что озера, из которых не вытекают реки, обладают большой соленостью. И соль, судя по всему, приносят с собой впадающие реки. В 1715 г. он высказал следующее предположение: «Не исключено, что соленость океана обусловлена теми же причинами, что соленость озер». Галлей рассудил, что раз изначально океан был пресным, то, измерив концентрацию соли, можно по скорости превращения воды в соленую определить возраст Земли. Оставалось только собрать данные для вычислений.

Между 1899 и 1901 гг. ирландский геолог Джон Джоли из дублинского Тринити-колледжа, приняв эстафету у Галлея, вычислил скорость поступления соли в океан. Джоли рассудил, что, поскольку соль в речной воде присутствует в незначительных дозах, этим количеством можно пренебречь и разделить весь объем соли в морских водоемах мира на скорость ее поступления. В результате возраст нашей планеты по оценкам Джоли находился в промежутке от 90 млн до 100 млн лет — почти как изначально у Кельвина.

Теперь нам известно, что соль подвергается масштабной переработке: крупные геологические формации удерживают ее, изымая из круговорота, но через подводные колодцы на стыках плит она все равно попадает туда в большом количестве. Джоли, один из последних приверженцев гипотезы Кельвина, продолжал публиковать результаты измерений содержания соли и опровергать показатели более древнего возраста Земли до самой своей смерти, которая наступила 30 лет спустя.

Одним из первых воспользоваться свойствами радиоактивности для определения возраста нашей планеты догадался новозеландец Эрнест Резерфорд, в начале 1900-х гг. работавший в канадском Университете Макгилла. Резерфорд понимал, что огромный объем заключенной в радиоактивных элементах энергии должен поддерживать высокую температуру внутри Земли. Планету уже нельзя было рассматривать согласно представлениям Кельвина как остывающий раскаленный шар (в 1908 г. Резерфорд получил Нобелевскую премию за исследования радиоактивности — по иронии судьбы, в области химии, которую он ставил ниже физики).

В 1904 г. Резерфорд выступил с докладом перед Королевской ассоциацией. Разумеется, среди слушателей оказался не кто иной, как Кельвин. Начало доклада он, видимо, проспал, но, когда Резерфорд подошел к проблеме возраста Земли, тут же проснулся и резко выпрямился в кресле. И тут Резерфорда осенило. Он напомнил об оговорке, которую делал Кельвин в своих ранних трудах: его выводы относительно земного возраста могут оказаться неточными, если на планете обнаружится другой, неизвестный в тот момент источник энергии (хотя Кельвин с пеной у рта доказывал, что подобное маловероятно). Резерфорд предположил, что радиоактивность вполне может служить таким дополнительным источником энергии. Кельвин, польщенный знаком уважения от Резерфорда, тем не менее от своих результатов не отказался, продолжая считать их верными, и даже сообщил одному своему другу в доверительной беседе, что это, пожалуй, самой большой его вклад в науку.

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.