 |
Радиометрическое датирование
|
|
|
|
| • |
Возраст предмета можно определить, если он содержит продукты радиоактивного распада
| • |
ЗАКОН ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ НАПЛАСТОВАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД
Кон. XVIII
ЦИКЛ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ГОРНОЙ
| 1890, 1940-е |
ПОРОДЫ
РАДИОМЕТРИЧЕСКОЕ ДАТИРОВАНИЕ
| ок. 1930, |
РАДИОАКТИВНЫЙ РАСПАД
| 1960-е |
МАССОВЫЕ ВЫМИРАНИЯ
ТЕКТОНИКА ПЛИТ
Ученым необходимо знать точный возраст объекта исследования. Археолога, например, интересует время изготовления найденного глиняного горшка, а палеонтолог хочет определить возраст какой-нибудь окаменелости. При стандартном методе определения возраста (этот процесс называется датированием) исследуют содержащиеся в объекте радиоактивные изотопы (см. радиоактивный распад). Этот метод применим к объектам, содержащим изотопы с известным периодом полураспада. В таком случае, определив, сколько этого изотопа присутствовало в предмете в момент его изготовления (или в организме в момент гибели), и сравнив это количество с количеством, не подвергшимся радиоактивному распаду, можно определить, сколько периодов полураспада изотопа прошло со времени изготовления предмета, и, следовательно, узнать возраст данного предмета. Например, если сейчас от исходного количества изотопов осталась лишь половина, значит, возраст предмета равен одному периоду полураспада.
трудность состоит в вычислении исходного количества изотопа (периоды полураспадов измерить несложно). Когда метод радиометрического датирования, разработанный в середине ХХ века в Чикагском университете, был впервые применен на практике, в качестве изотопа использовался углерод-14. На этом примере можно понять, как вообще устроено радиометрическое датирование. Углерод-14 — это изотоп углерода, в ядре которого находится 6 протонов и 8 нейтронов. Этот изотоп немного тяжелее нормального углерода (углерода-12, в ядре которого 6 нейтронов) и участвует в таких же химических реакциях, что и углерод-12. Углерод-14 образуется высоко в атмосфере при столкновении космических лучей с ядрами азота. Когда он достигает поверхности, его поглощают растения, а затем — животные, поедающие эти растения. таким образом углерод-14 попадает в ткани растений и животных. В живых организмах содержатся миллионы атомов углерода, и примерно каждый миллионный — это атом углерода-14.
|
|
|
Этот изотоп нестабилен, период его полураспада — 5700 лет. Пока организм жив, любой распавшийся атом углерода-14 замещается таким же атомом углерода-14 из окружающей среды. однако после смерти живого существа круговорот углерода завершается (см. круговорот углерода в природе) и начинается неотвратимый распад изотопа. Через 5700 лет в куске дерева останется только половина того количества углерода-14, какое было в дереве перед его гибелью. Если это дерево было спилено для изготовления мебели, измерение содержания углерода-14 позволит оценить возраст мебели. В большинстве случаев датирование органических материалов — папирусных свитков, частично сгоревшей древесины из древних кострищ, кожаных изделий — проводится таким методом.
Для углерода-14 исходное количество изотопа можно определить напрямую. Существуют виды деревьев, например, остистая сосна, чей возраст достигает нескольких тысяч лет. Сравнивая
образцы годичных колец у живых и погибших деревьев, ученые могут создать «летопись» колец, которая начинается около 10 тысяч лет назад (этот метод называется дендрохронологией). Подсчет колец позволяет точно определить, когда то или иное кольцо появилось на дереве. Измерив оставшийся в этом слое уровень углерода-14, мы можем понять, сколько углерода-14 было в окружающей среде, когда появилось это кольцо.
|
|
|
Датирование с помощью анализа углерода-14 (известное как радиоуглеродное датирование) широко используется для объектов, чей возраст не превышает нескольких десятков тысяч лет; сюда относится большинство археологических находок. Предел современных методов — около 50 тысяч лет. В более древних объектах, таких как горные породы и метеориты, остается слишком мало углерода-14. Для определения их возраста необходимо найти другие «часы».
И такие «часы» есть. Это прежде всего калий-аргоновый метод (или просто аргоновый метод) радиометрического датирования. Калий — широко распространенный элемент, который входит в состав многих минералов, а при распаде изотопа калия-40 с периодом полураспада 1,25 миллиарда лет образуется аргон-40 (аргон— благородный газ, проявляющий крайне низкую химическую активность). (Аргон остается запертым в горной породе, как в ловушке, потому что его атомы слишком велики и не могут выскочить сквозь кристаллическую решетку минерала.) Содержание калия в минерале определяется структурой этого минерала, а доля калия-40 в каждом минерале — своя. При калий-аргоновом методе исследуемый образец измельчается и определяется содержание аргона-40. Каждое ядро аргона-40 образуется при распаде одного ядра калия-40, поэтому можно определить число распадов (и, следовательно, число периодов полураспада), прошедших со времени образования минерала. Помимо калий-аргонового, широко используются подобные методы, основанные на распаде ура-на-238 до свинца-206 (период полураспада урана-238 — 4,5 миллиарда лет) и рубидия-87 до стронция-87 (период полураспада рубидия-87 — 49 миллиардов лет). Именно благодаря использованию этих методов при датировании метеоритов и лунных пород ученым удалось оценить возраст Солнечной системы.
При определения возраста горных пород путем радиометрического датирования необходимо учитывать два фактора. Во-первых, если порода расплавляется, радиометрические часы сбрасываются на ноль — например, накопившийся аргон-40 исчезает из расплавленного минерала. А радиометрический анализ показывает время, прошедшее с момента последнего перехода горной породы из жидкого состояния в твердое. (одна и та же порода после первоначального образования может несколько раз расплавиться, а потом затвердеть.)
|
|
|
И во-вторых, радиометрический метод неприменим к осадочным породам, состоящим из частиц и кусочков различных
пород (см. цикл преобразования горной породы). Радиометрическое датирование позволит определить время кристаллизации каждой отдельной частицы, но не время их объединения в породу. Поскольку окаменелости встречаются только в осадочных породах, для определения их возраста требуется особая осторожность. обычно пласт осадочных пород неизвестного возраста, содержащий окаменелости, залегает между слоями лавы или вулканического пепла, возраст которых можно определить. Следовательно, возраст этих окаменелостей находится в интервале между возрастами выше- и нижележащих слоев (см. закон последовательности напластования горных пород).
Ранняя Вселенная
На самой ранней стадии эволюции Вселенной относительно долгие периоды расширения и охлаждения перемежались краткими периодами фундаментальной перестройки материи
1929 ^ ЗАКОН ХАББЛА
1933 • ТЕМНАЯ МАТЕРИЯ
1948 • БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ
1948 • ТЕОРИЯ
СТАЦИОНАРНОЙ
ВСЕЛЕННОЙ
1961 ^ КВАРКИ
И ВОСЬМЕРИЧНЫЙ ПУТЬ
| ИНФЛЯЦИОННАЯ СТАДИЯ РАСШИРЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ |
1980-е ^ РАННЯЯ ВСЕЛЕННАЯ
| УНИВЕРСАЛЬНЫЕ ТЕОРИИ |
XXI (?)
Со времени открытия закона хаббла в научной космологии возобладала точка зрения, согласно которой Вселенная возникла в виде горячего сгустка сверхплотной материи и с тех пор расширяется и остывает. Но лишь с начала 1980-х годов космологи по-настоящему задумались над тем, как именно развивались события на самой ранней стадии расширения Вселенной. Сегодня мы имеем уже достаточно полную хронологическую картину ранней истории Вселенной, начиная с невообразимо малых долей секунды после большого взрыва, объясняющую происхождение элементарных частиц и химических элементов. Давайте прокрутим события в обратной хронологии, начиная с 1 миллиарда лет после Большого взрыва (все сроки весьма условны) и вплоть до самого взрыва.
|
|
|
Миллиард лет
Началось формирование галактик. Впервые в истории Вселенная стала отдаленно напоминать то, что мы наблюдаем сегодня. Уже следующее поколение сверхмощных телескопов позволит нам рассмотреть галактики, удаленные настолько, что они предстанут перед нами на стадии непосредственно после их рождения.
Лет
Примерно через 300 000 лет после Большого взрыва Вселенная остыла достаточно для того, чтобы электроны начали прочно удерживаться ядрами и появились стабильные атомы, не распадающиеся сразу же после соударения со следующим ядром. Постепенно формирование атомов из моря свободных ядер и электронов привело к образованию всего многообразия наблюдаемых нами сегодня во Вселенной химических элементов.
До образования первых атомов Вселенная состояла из непрозрачной и плотной ядерно-электронной плазмы. Любые сгустки такой плазмы, едва начав образовываться под воздействием сил гравитационного притяжения, тут же разрушались под воздействием энергии поглощаемого ими излучения. После формирования атомов пространство Вселенной стало прозрачным, а вещество — достаточно разреженным для образования устойчивых сгустков материи под воздействием сил гравитационного притяжения. Увы, уже слишком разреженным для начала формирования галактик, и этот парадокс, получивший название галактическая проблема, явился самым весомым аргументом против теории Большого взрыва. Проблема эта, однако же, устраняется, если ввести в сценарий формирования Вселенной темную материю. Тогда можно считать, что первичные ядра галактик образовались именно из этой невидимой темной материи (свойства которой принципиально отличаются от свойств обычной материи) еще до формиро-
вания атомов, а образовавшиеся позже атомы «прилепились» к уже готовым протогалактикам, состоящим из темного вещества.
Минуты
В первые три минуты существования Вселенной, стоило двум элементарным частицам — протону и нейтрону, например, — образовать ядро, как оно тут же разбивалось при следующем столкновении. Начиная с четвертой минуты Вселенная остыла до такой степени, что энергий столкновения стало недостаточно для разрыва внутриядерных связей и стали образовываться стабильные ядра. Итак, в первые три минуты Вселенная представляла собой раскаленное море элементарных частиц, а по прошествии трех минут в нем стало появляться все больше островков-ядер.
В процессе соударений с новыми элементарными частицами ядра постепенно утяжелялись за счет прикрепления к ним каждый раз протона или нейтрона. однако на этой стадии сформировались ядра лишь самых легких химических элементов, поскольку вскоре Вселенная расширилась уже настолько, что столкновения стали огромной редкостью. То, что теория Большого взрыва верно предсказывает соотношение ядер этих легких элементов, сформировавшихся за время короткого «окна» первичного нуклеосинтеза, является надежным (и очень красивым) подтверждением правильности этой теории.
|
|
|
10-5 секунды
В этот момент — примерно через одну стотысячную долю секунды после запуска механизма рождения Вселенной — кварки слились в элементарные частицы (см. кварки и восьмеричный путь). До этого Вселенная представляла собой компактное море из кварков и лептонов; с этого момента она превратилась в остывающий океан элементарных частиц.
10-10 секунды
Эта отметка знаменует новую серию этапных превращений — началось великое объединение фундаментальных сил (см. универсальные теории). Именно в это мгновение произошло объединение электромагнитного и слабого взаимодействий. До этого момента во Вселенной действовало три силы; теперь их стало четыре. Энергии, присутствующие во Вселенной в этот момент, соответствуют максимальным энергиям, которые могут быть развиты в современных земных ускорителях. Поэтому все, что было изложено мною выше, в принципе поддается экспериментальной проверке; все дальнейшее — чистые гипотезы.
10-35 секунды
При этих температурах объединились сильное и электрослабое взаимодействия. До этой доли мгновения во Вселенной действовало две силы, после него их стало три. В тот же миг началось скачкообразное расширение, которое называется инфляционным (см. инфляционная стадия расширения вселенной), продолжавшееся до отметки 10-32 секунды. Одновременно из Вселенной исчезли античастицы.
квантовая хромодинамика и стандартная модель
описывают поведение материи при невероятно высоких энергиях, существовавших во Вселенной через 10-35 секунды после ее зарождения. И эти теории проверены экспериментально, но при более низких энергиях. Все теории ранней Вселенной не идут дальше этого момента.
10-43 секунды
теоретики предполагают, что в этот миг произошло объединение гравитации с другими силами. До этого во Вселенной действовала единая и неделимая сила. Именно механизм перехода от одной к двум фундаментальным силам взаимодействия и пытаются описать универсальные теории. Что было до этого мгновения? Об этом мы можем только догадываться. Как и составителям средневековых географических карт, нам остается только написать: «Осторожно, там чудовища!»
|
|
|
