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

Глава 11

О пределах времени

В христианстве попытки высчитать возраст Земли тоже тянутся с незапамятных времен — в основном с опорой на Библию в качестве источника. Одну из таких попыток предпринял Юлий Африкан, живший между 200 и 225 гг. н.э. По его теории все доисторическое время укладывалось в одну «космическую» неделю, и каждый день этой недели творения был равен 1000 земных лет. Согласно подсчетам Африкана пришествие Христа состоялось на шестой день, а значит, Земля была сотворена в 5500 г. до н.э. «Англосаксонская хроника» тоже затрагивает этот вопрос, свидетельствуя в VI в. н.э., что «с начала мира до этого года прошло 5200 зим». К XVI в. Мартин Лютер пересчитал год творения на 4000 г. до н.э., и эта дата настолько прижилась, что даже Розалинда в шекспировской комедии «Как вам это понравится» говорит, что «этот жалкий мир существует около шести тысяч лет»⁸.

Все, кто высчитывал возраст Земли по Библии, поступали одинаково: составляли список персонажей Ветхого Завета с годами их жизни. Начинали с Адама, который согласно Книге Бытия умудрился родить первого сына Сета в 130-летнем возрасте и дожил до 930, а затем прибавляли годы жизни остальных. Среди предпринимавших такие попытки выделяется протестантский епископ Ашшер из Арма, сумевший довести этот принцип до логического завершения.

Возглавив в 25-летнем возрасте англиканскую церковь Ирландии, он задался целью доказать превосходство протестантизма над старой верой. Опираясь на корпус древних текстов, в основном римских и греческих, Ашшер сумел привязать плавающую библейскую хронологию к достоверно известному историческому событию — разрушению Иерусалима вавилонским царем Навуходоносором в VI в. до н.э. Ашшер был отличным историком, одним из первых, кто заметил ошибку Дионисия Малого (525 г. н.э.) в вычислении даты Рождества Христова (см. главу 2). По результатам вычислений Ашшер слегка поправил Мартина Лютера, сдвинув определенную им дату сотворения мира на четыре года назад.

С месяцем и днем сотворения дело обстояло несколько сложнее. Предполагалось, что Господь создал Вселенную в момент равновесия между Солнцем и Землей, то есть либо во время солнцестояния, либо во время равноденствия. Согласно Книге Бытия, когда Адам и Ева вошли в Райский Сад, плод уже созрел. Отсюда Ашшер сделал вывод, что сотворение мира должно приходиться на осеннее равноденствие в северном полушарии. Если Господь отдыхал на седьмой день, выпадавший по иудейской традиции на субботу, сотворение должно было начаться в воскресенье.

По имеющимся астрономическим таблицам Ашшер высчитал, что осеннее равноденствие в год Творения попадало на вторник, 25 октября. Всего днем раньше принятого счета, по которому Солнце было создано на четвертый день, то есть в среду. Почти в яблочко. Кстати, к вящей путанице будущих историков, Ашшер с большим подозрением относился к «папистам» и свои вычисления производил по юлианскому календарю, который еще действовал на Британских островах, — отсюда и странность с осенним равноденствием в октябре. В общем, в 1654 г. н.э. Ашшер объявил: «Каковое начало времен согласно нашей хронологии выпало на вечер, предшествующий двадцать третьему дню октября в год по юлианскому календарю 710-й».

В XVII в. у Ашшера и прочих историков было в ходу довольно абстрактное понятие «юлианского периода» (не путать с юлианским календарем). Под ним подразумевался воображаемый период времени, предшествующий Творению. Изначально юлианский период позволял историкам связывать между собой «даты» из разных документальных источников (независимо от их религиозной или культурной принадлежности), получая летопись истории Земли. С помощью этой системы счета Ашшер определил дату Творения как 710 лет с нулевого года или, как бы мы написали сегодня, 4004 г. до н.э. И хотя эту дату высмеивали несколько поколений, Ашшер все же бросил серьезный вызов ранней науке.

К XVIII в. по Европе пошли пересуды, что дата определенно неверна. В 1721 г. в своей сатире на Францию под названием «Персидские письма» барон Монтескье задавался вопросом: «Как могут люди, понимающие природу и имеющие разумное представление о Боге, верить, что материя и тварный мир насчитывают только 6000 лет?» К середине 1700-х решили внести свою лепту и философы: француз Дени Дидро предположил, что возраст мира исчисляется миллионами лет, а в 1755 г. его поддержал и немец Иммануил Кант.

Пожалуй, одним из самых известных противников даты, высчитанной по Библии, стал француз Жорж-Луи Леклерк, он же граф де Бюффон. Он ставил эксперименты, определяя степень внутреннего нагрева Земли и скорость остывания, необходимую раскаленной планете, чтобы достичь нынешней температуры. О том, что по мере углубления под землю жар растет, известно было давно. Основываясь на этом наблюдении и на собственных экспериментах по измерению скорости остывания раскаленного докрасна металлического шара, Леклерк определил возраст Земли как 75 000 лет. Поднявшееся возмущение заставило его отказаться от своих выводов, однако сам он втайне продолжал считать, что это минимальная граница возраста и на самом деле Земля еще старше. И хотя планета у Леклерка действительно получилась слишком молодой по сегодняшним представлениям, надо отдать ему должное: он первым опирался в расчетах на научные наблюдения, а не на «исторические» документы.

В 1788 г. Джеймс Хаттон в статье, предшествующей его большому труду «Теория Земли», впервые высказал предположение: «Таким образом, результат наших сегодняшних исследований состоит в том, что мы не видим ни следов начала, ни перспективы конца». У Хаттона, придерживавшегося униформистских взглядов, не укладывались в сознании огромный масштаб времени перехода Земли к ее теперешнему состоянию.

Однако к середине XIX в. Чарльзу Дарвину уже понадобилось аргументировать представляющийся ему разумным срок, позволивший жизни на Земле развиться до нынешнего разнообразия. В те времена сложно было понять, какой срок считать «разумным». В первом издании «Происхождения видов» 1859 г. Дарвин ввязался в тяжелый бой, руководствуясь в подсчетах скоростью эрозии в Южной Англии. Исходя из того, что холмистые гряды Норт-Даунс и Саут-Даунс когда-то образовывали единый меловой купол, Дарвин заключил, что на достижение ими нынешнего облика должно было уйти 306 662 400 или «порядка 300 млн» лет.

Уже через месяц после выхода в свет первого издания начались нападки. Критики утверждали, что предполагаемая Дарвином скорость эрозии могла в прошлом существенно отличаться. До самого конца жизни Дарвин ломал голову над тем, сколько лет должно было уйти на эволюцию, и над противоречащими друг другу версиями возраста Земли. К третьему изданию «Происхождения видов» он уже перестал ссылаться в тексте на эрозию мелового купола Южной Англии, заменив свои выкладки общими рассуждениями о гигантских сроках, требующихся для эволюции.

Вскоре к участию в спорах подключилась фигура значительного масштаба. Лорд Кельвин, он же Уильям Томсон, родившийся в Белфасте в 1824 г. и в 1892 г. удостоенный титула барона. Блестящий ученый, выдающийся представитель почти всех областей научной мысли. Физик, инженер, профессор естествознания в Университете Глазго, чьи исследования способствовали созданию первого трансатлантического телеграфа. Многочисленные патенты позволили ему жить в полном достатке до самой смерти в 1907 г. В 1862 г., недовольный геологами, особенно Дарвином, которые, по его мнению, совершенно не учитывали простейшие законы физики, Кельвин сам занялся проблемой определения возраста Земли. Он принял участие в формулировке второго закона термодинамики, гласящего, что при переходе энергии из одной формы в другую часть ее теряется в виде теплоты. То есть, по мнению Кельвина, физические процессы на Земле и во всей Вселенной с момента творения должны были в буквальном смысле замедляться.

Рассуждая так же, как до него Бюффон, Кельвин предположил, что сначала Земля была раскаленным шаром, а потом постепенно остыла до нынешнего состояния. Поскольку твердый камень плотнее жидкости, остывающие и твердеющие породы должны погружаться в жидкую расплавленную массу древней Земли. От них расходились бы при этом конвекционные потоки, способствующие равномерному распределению тепла по планете, пока Земля не затвердеет полностью. Таким образом, на любой глубине температура должна быть одинаковой. Опираясь на последние научные данные о том, как распределяется тепло в камне, Кельвин подсчитал, сколько его выделилось с земной поверхности в космическое пространство. Отсюда можно было сделать вывод о том, когда же образовалась Земля.

Поскольку такой метод грешил допущениями и неточностями, Кельвин определил возраст Земли достаточно приблизительно — от 20 до 400 млн лет, в среднем около 98 млн. Геологам впору было отказываться от предложенной Хаттоном идеи бесконечности.

В течение последующих 40 лет, по мере поступления новых данных о температуре Земли, Кельвин периодически пересматривал результаты своих расчетов, каждый раз снижая цифры. К 1876 г. верхний предел уже равнялся 76 млн лет, а к 1897 г. приближался к 20 млн. Вместе с цифрами возраста Кельвин последовательно терял и сторонников среди геологов. Такие краткие сроки не согласовались сданными, которые многие из них получали в полевых исследованиях, однако доказать они ничего не могли.

Возраст, предложенный Кельвином, вызывал протест и у Чарльза Лайеля, одного из основных участников спора о ледниковых периодах. Лайель придерживался униформистских представлений, согласно которым для формирования нынешнего облика Земли требовалось несоизмеримо более долгие сроки. В то же время его вдохновляли труды Джеймса Кролла — в частности, о роли перемен обращения Земли вокруг Солнца в наступлении ледниковых периодов (см. главу 7). Возможно, именно здесь следовало искать ключ к определению возраста Земли.

* * *

В 1867 г. Лайель опубликовал десятое издание «Основ геологии», где утверждал, что последний ледниковый период должен был наступить от 750 000 до 800 000 лет назад. На этом основании он предположил, что 95% всех современных раковин обнаруживаются в отложениях возрастом миллион лет. Именно столько должно было уйти на обновление одной двадцатой части вида. Как мы помним, для униформиста Лайеля любое развитие предполагало цикличность. Итак, если для полного обновления вида требовалось 20 млн лет, а таких полных циклов прошло 12, то бурный всплеск жизни, наблюдавшийся в начале кембрийского периода, должен был произойти около 240 млн лет назад. Далеко за рамками возраста, подсчитанного Кельвином.

Теперь не смог остаться в стороне от споров и Джеймс Кролл, который вопросами возраста Земли в общем-то не занимался. Он не разделял точку зрения геологов, настаивавших на «бесконечности». По его мнению, все эти геологические «расчеты» сроков и скорости изменений лежали исключительно в области догадок. Сам он верхним пределом возраста Земли считал 100 млн лет. В отличие от Лайеля, Кролл предполагал, что последний ледниковый период приходился на самую недавнюю стадию высокой эксцентричности орбиты, которая, по его подсчетам, закончилась лишь 80 000 лет назад. Лайель этого не учитывал, поскольку за 80 000 лет мир никак не успел бы, по его представлениям, принять современный облик. Если возраст получался меньше, то и сроки обновления видов, предложенные Лайелем, также подлежали сокращению. Таким образом, с начала кембрийского периода должно было пройти лишь 60 млн лет. Это Кролла устраивало куда больше.

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.

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.

Холмс взял образец из Гренландии. Предполагалось, что содержащийся в нем свинец не является продуктом радиоактивного распада, и поэтому образец отражает состояние Земли на момент формирования. В 1946 г. Холмс определил минимальный возраст Земли как 3000 млн лет, но в 1947 г. скорректировал его до 3400 млн. Путем обратной проекции своих результатов во времени он вычислил, что распад урана начался 4500 млн лет назад, и установил тем самым верхний предел возраста планеты.

Однако уже после проделанного Холмсом гигантского труда стало известно, что на поверхности планеты ни один камень, даже из Гренландии, не отражает изначального состояния Земли. На ее поверхности происходят постоянные изменения, непрерывное разрушение и переработка горных пород. Гренландский образец Холмса выдал лишь минимальную границу возраста. По-прежнему требовался кусок камня, отражавший начальную стадию формирования Земли, но избежавший воздействия геологических процессов. К сожалению, найти такой на Земле не представлялось возможным.

В 1940-1950-х считалось, что вся наша Солнечная система формировались более или менее одновременно. Теперь мы знаем, что процесс этот был гораздо более сложным и занял десятки миллионов лет, однако пока для наших целей нас устроят такие представления. Смысл в том, что железные метеориты, как самое примитивное вещество в Солнечной системе, должны были сформироваться в числе первых. Медленно застывая и превращаясь в знакомую нам сегодня Землю, наша планета подвергалась непрерывной бомбардировке маленьких твердых небесных тел. Поскольку в железных метеоритах содержание урана стремится к нулю, рассуждали ученые, имеющийся в них свинец никак не может быть продуктом радиоактивного распада. А значит, по составу железных метеоритов можно вычислить то самое изначальное, исконное соотношение свинца, присутствовавшее в зарождающейся Солнечной системе — и в нашей планете.

К началу 1950-х американский геохимик Клэр Паттерсон, работавший в Калифорнийском технологическом институте, завершил исследование железного метеорита и определил средний состав свинца. В 1953 г. он пришел к выводу, что именно таким и было исконное соотношение, и, отталкиваясь от этих данных, получил возможность вычислить количество свинца, образовавшееся на Земле в результате уранового распада и срок его образования. Верхний предел возраста Земли получился 4600 млн лет.

Считать ли этот возраст истинным? Несмотря на всю логичность предположения, что метеориты формировались в одно время с нашей планетой, в 1950-х бесспорных подтверждений на этот счет не существовало. И в 1956 г. Паттерсон взялся доказать, что метеориты в исследованиях могут выступать в качестве представителей Земли. Он подверг анализу другие типы метеоритов, содержащие уран. В результате ему удалось выявить соотношение между 207Pb/204Pb и 206Pb/204Pb. Количество 204Pb, не являющегося продуктом распада урана, оставалось неизменным. Поэтому соотношение изотопов в различных метеоритах со временем увеличивалось, в зависимости от изначального содержания в них урана. В совокупности эти соотношения выстраивались в одну четкую шкалу. Затем Паттерсон пришел к выводу, что соотношение изотопов свинца на дне океана должно отражать средний состав по суше. Ведь океанское дно формируется из того, что приносят реки с подвергающихся эрозии континентов. Паттерсону удалось продемонстрировать, что шкала соотношений по океанским образцам совпадает со шкалой по метеоритам. Все они образовались примерно в одно и то же время. Так было окончательно доказано, что метеориты и Земля — ровесники.

Возраст 4600 млн лет, полученный после привлечения внеземных источников, кажется вполне похожим на правду. Прав был шотландский геолог Джеймс Хаттон — шкала времени уходит в бесконечность.