Всем хорошего времени суток! Вы знаете сегодня речь пойдет о доверии к науке, а именно к радиоизотопному методу измерения даты смерти того или иного образца. Почему решил об этом написать, нет я не химик, тем более не имею отношения к физике элементарных частиц и на ядерщика тоже не учился. Скорее мою профессию можно отнести к прикладной механике, но это не значит, что хотя бы поверхностно, я не владею этим вопросом. Сегодняшний обмен мнениями с парой молодых людей в отзывах на одну историческую статью, чуть не поколебал мою уверенность в своих знаниях, но может это и к лучшему. Настолько эмоционально они защищали правильность радиоуглеродного анализа (про другие они не слышали), что я решился на эту статью. Знаете, был такой ученый, писатель и вообще очень талантливый человек Карл Эдвард Саган. Вот он говорил:" Мы живем в обществе, которое полностью зависит от науки и технологии и, в котором мало кто знает хоть что-нибудь о науке и технологии."
Ладно вернемся к нашей теме - радиоизотопные методы определения времени происхождения мы попробуем разобрать на основе, указанного чуть выше, радиоуглеродного метода - дедушки всех остальных. Автором данного научного прорыва и достижения (и ни капли сарказма, честно) является Уильям Фрэнк Либби - американский физический химик, член Национальной академии наук США.
Уильям Фрэнк Либби с единомышленниками в 50-х годах занимались изучением нестабильного изотопа углерода -14, которое к началу 60-х вылилось в достаточно революционный метод. Благодаря этому методу создавалась возможность определения времени происхождения по физическим образцам. К 1960 году его работа была завершена, и в декабре этого года Либби был номинирован на Нобелевскую премию по химии.
Так чего же достиг Либби? Он обнаружил, что нестабильный радиоактивный изотоп углерода (14С) с предсказуемой скоростью распадается на стабильные изотопы углерода (12С и 13С). Все три изотопа встречаются в атмосфере в естественном виде в следующих пропорциях; С12 – 98,89%, С13 – 1,11% и С14 – 0,00000000010%.
Стабильные изотопы углерода 12С и 13С образовались вместе со всеми остальными атомами, из которых состоит наша планета, то есть около чуть более четырех с половиной миллиардов лет назад. Углерод-14 образуется в верхних слоях тропосферы и стратосферы в результате поглощения атомами азота-14 тепловых нейтронов (это свободные нейтроны, имеют еще одно название -"медленные" потому, что их кинетическая энергия практически равна наиболее вероятной энергии теплового движения молекул газа при комнатной температуре (20,46 °C, что соответствует 0,0253 эВ)., которые в свою очередь являются результатом взаимодействия космических лучей (элементарные частицы, фотоны, ядра атомов, которые двигаются в космическом пространстве с высокой энергией) и вещества атмосферы Земли:
Изотоп 14С образуется, когда один из таких свободных нейтронов сливается с ядром атома азота. Получается, что радиоуглерод представляет собой этакий сплав из разных химических элементов. После атомы 14С, которые, заметим, образуются с постоянной скоростью, подвергаются окислению и проникают в биосферу планеты в процессе фотосинтеза и естественной цепочки питания.
В организмах всех живых существ отношение изотопов 12С и 14С равно атмосферному отношению этих изотопов в их географическом регионе и поддерживается скоростью их метаболизма. Однако после смерти организмы перестают накапливать углерод (пропадает фактически полностью обмен веществ, если забыть про другие живые организмы, например, бактерии), и поведение изотопа 14С с этого момента становится интересным. Либби установил, что период полураспада 14С составляет 5568 лет (есть мнение, что ошибся на 160 лет, но об этом позже); еще через 5568 лет распадается половина оставшихся атомов изотопа.
Таким образом, поскольку первоначальное отношение изотопов 12С и 14С является геологической постоянной(не цепляйтесь, так "геохроники" говорят, они наглухо все теоретики, а спорить с теоретиками - бесполезно, у них словарный запас больше, пока вы заняты делом, они новые термины изобретают) возраст образца можно определить, измерив количество остаточного изотопа 14С. К примеру, если в образце присутствует некоторое первоначальное количество 14С (до 25% от общего числа), значит, дата смерти организма определяется двумя периодами полураспада (5568 + 5568), что соответствует возрасту 10 146 лет.
В этом заключается основной принцип радиоуглеродной датировки как инструмента археологии. Радиоуглерод абсорбируется в биосфере; он прекращает накапливаться со смертью организма и распадается с определенной скоростью, которую можно измерить.
По другому говоря, соотношение 14С/12С постепенно падает. Таким образом мы получаем «часы», которые начинают идти от момента смерти живого существа. Очевидно, что эти часы действуют только для мертвых тел, которые когда-то были живыми существами. Например, их нельзя использовать для определения возраста вулканических пород.
Ну что, с теорией описания метода закончили, тогда давайте поговорим про его недостатки. Кстати, сама конфигурация метода очень впечатляет: впоследствии на его теоретической платформе столько новых методов наваяли, где вместо связки углерода 12/14 используют, например, уран/свинец, кому интересно, почитайте. Ладно вернемся к основной теме - недостатки.
Первый: В 1961 году М. Кэлвину была присуждена Нобелевская премия по химии «За исследование усвоения двуокиси углерода растениями». В общей сложности исследования в этом направлении ученым проводились порядка 20 лет, начиная с 1946 года. К 1956 году им была окончательно сформирована циклическая схема процесса фотоассимиляции СО2 при фотосинтезе, выяснена природа акцептора и первого промежуточного продукта в этом процессе, всю его работу перечислять не будем, вытащим оттуда, только нужное нам: растительный мир хуже усваивает углекислый газ, содержащий 14С. Отсюда следует, что растения накапливают это изотоп меньше ожидаемого и поэтому при тестировании кажутся старше, чем есть на самом деле. Более того, различные растения по-разному усваивают 14С, и на это тоже следует делать поправку.
Второй: соотношение С14/С12 в атмосфере не всегда было постоянным (мое мнение: оно вообще не постоянно) – например, оно снизилось с наступлением индустриальной эпохи, когда, вследствие сжигания огромных количеств органического топлива высвободилась масса углекислого газа, обедненного С14. Соответственно, организмы, умершие в этот период, в рамках радиоуглеродного датирования окажутся старше. Затем произошло увеличение содержания 14СО2, связанное с наземными ядерными испытаниями, из-за этих факторов организмы, умершие в этот период, стали казаться моложе, чем были на самом деле. Про вулканическую деятельность нашей любимой планеты и ее не постоянство - я вообще молчу. Откуда взялась константа?
Третий: метод радиоуглеродной датировки опирается на ряд необоснованных предположений, сделанных Либби во время разработки его теории. К примеру, в последние годы было много дискуссий о периоде полураспада 14С, якобы составляющем 5568 лет. В наши дни большинство ученых сходится на том, что Либби ошибался и что период полураспада 14С на самом деле составляет примерно 5730 лет, Расхождение в 162 года приобретает большое значение при датировке образцов тысячелетней давности.
Если бы все закончилось только ошибкой периода полураспада изотопа, но Либби пошел дальше. Первым, кто ввел и рассчитал значение эталона радиоуглеродного датирования (является оценкой начальной активности образца при допущении о постоянном содержании 14С в СО2 атмосферы на протяжении всего «рабочего» интервала радиоуглеродного датирования - физический смысл эталона) был Андерсон (1949 год), по сути сотрудник Либби. Андерсон, при расчёте своего эталона радиоуглеродного датирования использовал образцы, характеризующие современную древесину (17 образцов) и тюлений жир (один образец). Эта работа явилась основой его докторской диссертации. «1949: Anderson dissertation: essential constancy (± 10%) of contemporary or modern biospheric 14С at different latitudes.» На основе эталона Андерсона датированы первые 6 образцов, характеризующих предметы известного возраста. Образцы Zoser:Sneferu, Sessostris, Ptolemy (все из Египта), и Tayinat (из Ирана) характеризуют деревянные артефакты, датированные по историческим данным. Образцы Redwood (из ствола дерева) и Tree Ring (из большого куска дерева) датированы дендрохронологически. Все образцы датированы при Т1/2 = 5720 +/-47 лет. Получено поразительное соответствие радиоуглеродного и исторического дендрохронологического возраста образцов. Однако, как выяснилось, Либби необоснованно увеличил значения эталона Андерсона с 12,5 до 15,3 dpm/g. Зачем было это делать? Да, чтобы образцы древесины из Египта, которые они на тот момент исследовали, совпадали по времени с историческими данными.
Но вместе с Нобелевской премией по химии к Либби пришла полная уверенность в его новой системе. Его радиоуглеродные датировки археологических образцов из Древнего Египта уже были датированы, поскольку древние египтяне тщательно следили за своей хронологией. К сожалению, радиоуглеродный анализ давал слишком заниженный возраст, в некоторых случаях на 800 лет меньше, чем по данным исторической летописи. Но Либби пришел к поразительному выводу:
«Распределение данных показывает, что древнеегипетские исторические датировки до начала второго тысячелетия до нашей эры слишком завышены и, возможно, превышают истинные на 500 лет в начале третьего тысячелетия до нашей эры».
Классический случай научного самомнения и слепой веры в превосходство своего научного метода над археологическими изысканиями прошлых лет. Либби ошибался? Хотя есть мнение, что около тысячи лет мировой истории приписано тайными орденами, или мировым правительством, не к ночи будут упомянуты все эти демоны.
Четвертый: человеческий фактор, несовершенство лабораторий, которые ведут к загрязнению образцов.
«Загрязнением называется наличие в образце органического материала чуждого происхождения, который не был сформирован вместе с материалом образца».
Например, на многих фотографиях раннего периода радиоуглеродного анализа изображены научные специалисты, которые курят сигареты во время сбора или обработки образцов. Не слишком умно с их стороны! Уроните щепотку пепла на ваши образцы, подготовленные к анализу, и вы получите радиоуглеродный возраст табака, из которого была сделана сигарета.
Хотя в наши дни такая методологическая некомпетентность считается недопустимой, археологические образцы все равно страдают от загрязнения. Известные виды загрязнений и способы борьбы с ними обсуждаются в статье Тейлора (1987). Он делит загрязнения на четыре главные категории: 1) физически устранимые, 2) растворимые в кислотах, 3) растворимые в щелочах, 4) растворимые в растворителях. Все эти загрязнения, если не устранить их, сильно влияют на лабораторное определение возраста образца.
Приведу еще один пример: при исследованиях образцов, не надо забывать, что на их поверхностях могли жить другие живые существа и, необязательно, сразу после их смерти. Следовательно с образцом, вы можете изучить, в том числе, и результаты жизнедеятельности микроорганизмов и других живых существ.
Радиоуглеродная датировка полезна в качестве дополнения к другим данным, и в этом заключается ее сильная сторона. Но пока не наступит день, когда все переменные окажутся под контролем, а все ошибки будут устранены, радиоуглеродные датировки не получат окончательного слова на археологических раскопках.