Это, вероятно, один из самых важных методов для понимания прошлого, но как он работает?
Можно с уверенностью сказать, что развитие радиоуглеродного датирования изменило наше представление о мире. Оно не только революционизировало наш подход к археологии и антропологии, предложив новое видение жизни древних народов и культур, но и открыло новые перспективы геологического и атмосферного прошлого планеты. Но задумывались ли вы когда-нибудь о том, как работает этот важный научный метод и откуда он взялся?
Содержание
Углерод-14: космические лучи и мертвые существа
Радиоуглеродное датирование, или датирование по углероду (иногда называют датирование по углероду-14), – это метод, используемый для определения возраста некоторых объектов биологической природы. Новаторская техника основана на естественном распаде одного важного радиоактивного изотопа углерода – углерода-14. Измеряя количество изотопа в образце, ученые могут рассчитать его возраст с поразительной точностью. Но чтобы понять, как это достигается, нам нужно знать, как углерод-14 вообще попадает в “вещи” – и ответ на этот вопрос связан с космосом.
Когда космические лучи – обычно от Солнца, но иногда и от других небесных объектов, таких как далекие взрывы звезд или черные дыры, – попадают в атмосферу, они могут столкнуться с другими атомами и создать вторичные космические лучи в виде энергичных нейтронов. Эти нейтроны могут затем столкнуться с атомами азота-14, которые, в свою очередь, превращаются в атомы углерода-14 (и атомы водорода). Затем атомы углерода-14 соединяются с кислородом, образуя углекислый газ, который поглощается растениями и включается в их состав посредством углеродного обмена (фотосинтеза). Животные (включая человека) поедают эти растения и добавляют углерод-14 в свой организм.
Таким образом, все животные, включая нас с вами, имеют небольшой, но постоянный процент атомов углерода-14 в наших телах, наряду с атомами углерода-12, которые составляют подавляющую часть содержащегося в нас углерода, и углерода-13.
Углерод-14 – “самый редкий из трех встречающихся в природе изотопов углерода”, – говорит доктор Маартен Блаув, директор Центра 14CHRONO. “В живых тканях, таких как листья растений или человеческие зубы, только один из триллиона атомов углерода будет содержать углерод-14”.
На протяжении всей жизни мы накапливаем в своем теле большое количество углерода, но когда мы умираем, этот процесс прекращается. Со временем углерод-14 начинает распадаться, в то время как углерод-12 и 13 остаются неизменными.
Углерод-14 – “это нестабильный, радиоактивный изотоп углерода”, – добавил Блаув. “Со временем он распадется обратно на азот. Скорость этого распада известна и постоянна. Это удобно, потому что когда организмы живы, они поглощают углерод-14 в процессе метаболизма; когда они умирают, они больше не пополняют запасы углерода, и содержание радиоуглерода в их тканях начинает распадаться, пока примерно через 50 000 лет не останется ни одного измеримого углерода-14”.
В этом и заключается ключ к датированию по углероду и то, что делает его таким полезным для понимания прошлого.
Подсчет свидетельств прошлого
Впервые этот метод был разработан в Чикагском университете в конце 1940-х годов Уиллардом Либби, профессором химии и бывшим исследователем Манхэттенского проекта. Ранее в том же десятилетии другие исследователи впервые обнаружили изотопы углерода-14 и заметили, что период их полураспада составляет примерно 5 730 лет. Это означает, что через 5 730 лет половина первоначального количества атомов углерода-14 в образце распадется и превратится обратно в азот. Либби пришло в голову, что если подсчитать количество углерода-14 в образце, то можно определить его возраст по количеству распавшихся атомов.
В течение нескольких следующих лет Либби и его коллеги публиковали идеи о возможностях углеродного датирования и продолжали совершенствовать свои наработки. Одно из ключевых достижений принадлежит его аспиранту Эрнесту К. Андерсону, который обнаружил, что органические материалы содержат практически одинаковое количество углерода-14 на всех широтах планеты.
Проделав всю эту работу, Либби и его коллеги приступили к разработке первой методики определения углерода-14, опробовав ее на артефактах из музейных коллекций. Это означало, что команда могла установить точность метода, поскольку археологи уже знали возраст этих предметов с помощью других доказательств, таким как датировка по древесным кольцам (дендрохронология). Нет нужды говорить, что это сработало, и к 1960-м годам этот метод использовался более чем в 30 радиоуглеродных лабораториях по всему миру. Сегодня это один из наиболее значимых методов датирования прошлого.
“Это очень важно”, – пояснил Блаув, – “радиоуглеродное датирование является наиболее используемым инструментом для датирования материалов возрастом до 50 000 лет, периода, насыщенного важными событиями в окружающей среде прошлого, а также в развитии человека”.
Как бы ни был силен этот новый метод, он был довольно медленным, как добавил Блаув:
“Изначально измерялись сами события радиоуглеродного распада. Для этого требовалось большое количество материала и длительное время подсчета – от нескольких недель до нескольких месяцев. С 1990-х годов все большую популярность приобретает метод подсчета самих атомов углерода-14 с помощью ускорительной масс-спектрометрии. Теперь радиоуглеродный возраст можно измерять за считанные минуты и на гораздо меньших образцах, например, на отдельных семенах”.
Радиоуглеродная революция
Углеродное датирование оказало огромное влияние на археологические и геологические науки. До появления этого метода попытки датировать объекты основывались на относительных факторах, например, на сравнении слоев археологического памятника, в котором что-то было найдено, с предположением, что слои откладывались в хронологическом порядке. Такой подход лишь устанавливал порядок событий, а не их точный возраст.
Но появление углеродного датирования изменило ситуацию и помогло опровергнуть различные устоявшиеся, но ошибочные убеждения. Например, оно развенчало идею о том, что цивилизация зародилась в Европе, а затем распространилась за ее пределы. Изучение артефактов из Азии, Африки, Америки и Океании показало, что цивилизация развивалась независимо в разных местах. Отпала необходимость тратить столько времени на определение возраста артефактов, и археологи получили возможность задавать новые вопросы об эволюции человека и его культуре в доисторические времена и получать быстрые ответы.
Другие дисциплины также извлекли пользу из этого метода. В частности, геологи, седиментологи и исследователи озер тоже использовали методы углеродного датирования. Кроме того, палеоботаники и палеоклиматологи могут использовать его для датирования таких образцов, как пыльца, найденная в толще осадочных пород, а также другие следы растительного материала или древесного угля. Точно датируя эти образцы, они могут использовать полученную информацию для определения возраста коррелирующих пластов в других местах.
Разумеется, несмотря на всю свою мощь, углеродное датирование имеет свои ограничения. Наиболее очевидным является жесткое ограничение на датирование объектов, возраст которых превышает 50 000 лет. Это связано с тем, что содержание углерода-14 в таких артефактах будет слишком низким, чтобы их можно было использовать.
Но есть и другие ограничения.
Одно из них связано с выбором правильного источника углерода для измерения. Как объяснил Блаув, “часто образцы содержат смеси источников углерода, например, старый деревянный предмет из музея мог быть обработан маслами для его сохранения, и тогда нам придется попытаться отделить древесину от масел, чтобы определить углеродную датировку самой древесины”.
Вопрос загрязнения очень важен, “особенно для образцов, которые достигают 50 000-летнего предела радиоуглеродного датирования – поскольку в таких образцах остается очень мало радиоуглерода, загрязнение даже незначительным количеством современного углерода может сильно сбить дату. Например, кость динозавра возрастом 65 миллионов лет с загрязнением всего одним процентом современного углерода даст радиоуглеродный возраст динозавра около 37 000 лет по углероду-14!”
Чтобы решить эту проблему, археологи и другие исследователи пытаются оценить “влияние любого фонового загрязнения, измеряя не только сами образцы, но и стандарты и фоновые образцы”.
Единственный случай, когда исследователи пытаются датировать что-то заведомо более древнее, чем предел, – это установление фоновых измерений.
Критика креационистов
Важно четко понимать, как работает углеродное датирование, поскольку в последние годы некоторые креационисты и сторонники “молодой Земли” опираются на плохое понимание методов углеродного датирования, а также на неверное толкование оригинальной работы Либби, чтобы утверждать, что хронология соответствует библейскому Писанию. Однако есть надежные объяснения, почему креационисты запутались.
В частности, заявления о том, что в древних окаменелостях содержатся следы углерода-14, использовались для того, чтобы показать, что некоторые образцы, относящиеся к периоду до библейского повествования, на самом деле гораздо моложе, чем они есть на самом деле (что-то вроде динозавров во время Потопа). Однако, как объяснил Блаув, загрязнение происходит очень легко. Бета-излучение, вызванное космическими лучами, – тип излучения, превращающий азот-14 в углерод-14, – составляет большую часть естественного радиационного фона, окружающего нас в любое время. Поэтому невозможно полностью исключить его попадание в лабораторию, где оно может заставить старый артефакт или окаменелость “помолодеть”.
Существует множество других критических замечаний со стороны сторонников молодой Земли, которые были разъяснены экспертами, работающими в этой области. Вопреки критике, доказательства углеродного датирования и его точности чрезвычайно убедительны. И очень похоже, что все возражения “младоземельцев” основаны на цитировании других креационистских авторов, которые приводят одно и то же первоначальное заблуждение.
Будущее ради прошлого
Сегодня углеродное датирование остается мощным и широко используемым инструментом для определения возраста исторических объектов или событий. Исследователи все чаще находят новые способы усовершенствовать свои методы и устранить загрязнения.
“У нас есть печь, в которой мы можем устанавливать различные температуры, а затем изолировать и измерять углерод, выделяющийся при разных температурах, – говорит Блаув, – это позволяет нам лучше понять различные источники углерода в более сложных образцах. Лаборатории также пробуют новые методы химической предварительной обработки, чтобы эффективнее избавиться от загрязнений”.
Очевидно, что археологи и другие ученые знают об ограничениях, связанных с их методом, но это не те проблемы, которые так любят представлять креационисты. Как и во многих других случаях, доказательства существуют, нужно только знать, как на них смотреть.
Читайте также: Переосмысление инопланетной жизни: функция, а не на форма