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

Поразительные заявления требуют необычайно убедительных доказательств, а если учесть упомянутые выше проблемы с датировкой строительного раствора, то утверждение, согласно которому возраст объектов на 170 лет отличался от общепринятых археологических представлений, требовало независимой оценки. Дополнительные свидетельства о более ранней дате строительства предоставил еще один метод, основанный на тех же космических лучах, под влиянием которых образуется изотоп 14C: термолюминесценция. Суть термина заключена в его названии: свет («люмен»), рожденный от тепла («термо»). Когда формируется кристаллическое вещество – будь то природный или рукотворный кристалл, такой как керамика, – его номинально идеальная структура неизбежно содержит дефекты: атомы или молекулы, расположенные не совсем в нужном месте, и/или примеси, нарушающие правильную кристаллическую структуру. Эти дефекты способны создавать небольшие электронные ловушки, в которых могут застревать свободные электроны, блуждающие по веществу.

Обычно электроны связаны со своими атомами. Но космические лучи, проникая в вещество, могут ионизировать множество атомов и позволить нескольким освободившимся электронам просочиться в материал. Кроме того, такой же эффект оказывают естественные радиоактивные изотопы, которые содержатся в материале и распадаются за счет высвобождения высокоскоростных электронов. Поэтому с течением времени и увеличением продолжительности воздействия все больше электронов оказывается в ловушках. Если добавить достаточно энергии и освободить их, они смогут снова сочетаться с атомами, у которых отсутствуют электроны, и излучать свет.

Чтобы определить возраст объекта (в данном случае керамической черепицы из францисканского монастыря), мы просто нагреваем материал до высокой температуры (приблизительно 500 °C) и заставляем атомы вибрировать достаточно сильно, чтобы высвободить электроны из ловушек, а затем фиксируем количество света, излучаемого электронами при их воссоединении с атомами. Интенсивность света пропорциональна общему воздействию радиации, которое, в свою очередь, прямо пропорционально возрасту объекта.

Поскольку количество центров захвата и глубина ловушек уникальны для каждого вещества, необходимо откалибровать образец, подвергая его воздействию известного количества радиации в течение известного интервала времени, а затем повторить эксперимент по термолюминесценции. Когда этот метод применили к черепице на острове Кёкар, оказалось, что ее произвели в XIII веке, что соответствовало дате изготовления раствора, рассчитанной при помощи радиоуглеродного датирования и определенной как 1280 год.

Благодаря этому успеху был запущен более масштабный проект, на сегодняшний день охвативший все восемь крупных церквей Аландских островов. В одной из них, в Йомале, по древесным кольцам удалось установить, что деревья для колокольни срубили в 1281 году нашей эры, а строительный раствор на стенах церкви укладывали в 1279–1290 годах – это замечательное совпадение однозначно определило дату строительства. Более того, похоже, что все восемь церквей были построены за два десятилетия, в период с 1280 по 1300 год. Историки предполагают, что на островах, расположенных на полпути между современным Стокгольмом в Швеции и Турку в Финляндии (в 130 километрах от каждого), наблюдался всплеск экономической активности, и в то время из этих мест поставляли древесину и известковый раствор для строительства двух упомянутых городов.

Чтобы получить такие точные данные, потребовалось усовершенствовать технологию обращения с раствором. Необходимо было обеспечить более тонкое просеивание для удаления примесей; провести бомбардировку образца электронами и по характерным длинам волн испускаемого света выявить любой посторонний материал, а также тщательно отобрать пробы самых внешних слоев высохшего раствора, где загрязнение, как правило, оказывалось наиболее низким. Высокая достоверность полученных дат позволила междисциплинарной команде, в состав которой вошли Дж. Хейл (археолог), Дж. Хайнемайер (физик), Л. Ланкастер (археолог), А. Линдроос (геолог) и А. Рингбом (историк искусства), составить подробную историю аландских церквей, а также различных пристроек и элементов, которые добавились в ходе реконструкций, проведенных за их 750-летнюю историю.

Кроме того, при помощи коллег эта команда смогла развенчать миф о том, что каменную башню в Ньюпорте, штат Род-Айленд, построили викинги в XI столетии (на самом деле это был фундамент ветряной мельницы, возведенной в 1680 году), а также определила возраст римского амфитеатра в испанской Мериде (он был построен спустя век после того, как на его стене появилась надпись, сделанная в 8 г. до н. э., и, таким образом, не предшествовал римскому Колизею, а возник после него). Еще ученые воссоздали историю виллы, расположенной в современной Португалии, в Торре-де-Пальма, в 70 км к западу от Мериды. Часовня и алтарь появились в ней примерно в 340 году нашей эры, когда Римской империей правил Константин II, сын императора, принявшего христианство. Но в 580 году, много лет спустя после падения империи, когда у власти находились вестготы, постройка значительно расширилась – очевидно, большая часть технологий, созданных римлянами, сохранялась еще долго после того, как их империя перестала существовать.

Накопление Свинца

Даже в те периоды, о которых существует множество исторических записей, наши знания о прошлом часто довольно скудны. А там, где нет достоверной информации, открывается простор для спекуляций. Один из таких примеров – набившее оскомину утверждение о том, что Свинец, содержащийся в питьевой воде Древнего Рима, ускорил упадок империи, поскольку римляне широко применяли Свинец в строительстве и изготовлении посуды, но не имели возможности определить, сколько его они потребляют, и даже не догадывались о его пагубном воздействии. Несколько лет назад Х. Делиль и его коллеги провели всестороннее исследование, наконец-то прояснившее истину, а также пролившее свет на историю Рима в имперские годы и после окончательного падения2.

Существует четыре стабильных изотопа Свинца (Pb). 204Pb – первичный, оставшийся от формирования Земли, и на его долю приходится примерно 1,4 % природных месторождений этого элемента. Остальные три изотопа – это конечные точки радиоактивных рядов распада таких элементов, как Уран – 238U → 206Pb и 235U → 207Pb – и Торий (232Th → 208Pb). Они составляют примерно 24 %, 22 % и 52 % свинцовой руды соответственно, хотя точные соотношения зависят от концентрации их материнских ядер и тем самым служат маркерами геологического расположения тех мест, откуда они произошли.

Свинец использовался для различных целей более 9000 лет. Благодаря низкой температуре плавления, составляющей всего 328 °C, он становится самым простым из металлов, выплавляемых из его руды (так называемого галенита, или сульфида свинца, PbS). Изначально из него делали небольшие скульптуры и украшения, а потом начали применять в самых разных культурах и в самых разных сферах – и как стимулятор, и в косметике, и как противозачаточное средство, и как подсластитель, и даже для изготовления гробов. В Древнем Риме из-за высокой пластичности и устойчивости к коррозии его, что совершенно неудивительно, выбрали в качестве материала для разветвленной сети акведуков и труб, снабжавших водой столицу (и другие города империи). Латинское слово, обозначающее Свинец, – plumbum3, отсюда и английское слово plumb, обозначающее сантехнику, и химический символ самого