пришел в астрофизику из геохимии и называется радиоизотопным анализом. Давайте немного поговорим о нем, ведь благодаря ему мы можем провести датировку основных этапов истории Солнечной системы.
Еще со школы вам знакомы слова «радиоактивный распад». Это явление, при котором одни элементарные частицы распадаются на другие элементарные частицы. Не все частицы подвержены радиоактивному распаду. Например, 12С и 14С – изотопы углерода, которые ведут себя совершенно по-разному. В изотопе 12С содержится шесть протонов, шесть нейтронов и шесть электронов (протоны и нейтроны называются нуклонами, их число равно массовому числу атома химического элемента; массовое число обычно записывается сверху слева рядом с символом химического элемента). В изотопе углерода 14С количество нейтронов на два больше, а количество протонов и электронов совпадает с их количеством в 12С. Химические свойства изотопов идентичны. Однако мир устроен так, что конфигурация атомного ядра с двумя лишними нейтронами не может существовать долго, и один нейтрон в 14С распадается на протон, электрон (обозначается как и антинейтрино Минус один нейтрон и плюс один протон в ядре 14С приравнивают число протонов и нейтронов друг к другу, превращая атом углерода в азот. На языке ядерной физики данная реакция записывается следующим образом:
Изотоп углерода 12С ведет себя иначе: сколько за ним ни наблюдай, он все равно будет углеродом.
Распад нейтрона – процесс спонтанный. Каждый отдельный нейтрон может распасться когда угодно. Чем больше число нестабильных частиц в эксперименте, тем больше частиц распадается за одну секунду. Однако если взять большую совокупность нестабильных частиц, то время, за которое половина из них распадется, будет примерно одним и тем же, сколько бы раз эксперимент ни проводился. Это время называется периодом полураспада. Он не является каким-то мистическим свойством нестабильных частиц – это математическая характеристика данного случайного процесса. Чем больше частиц вы возьмете, тем точнее сможете определить период полураспада. Радиоактивному распаду могут подвергаться как частицы, находящиеся в ядре, так и свободные частицы, не связанные с атомом. Период полураспада свободного нейтрона равен примерно 10 мин., а находящегося в ядре 14С – около 5 700 лет.
Радиоизотопный анализ используется для того, чтобы установить абсолютный возраст органических материалов, обнаруженных в ходе геологических, палеонтологических и археологических раскопок – это так называемое радиоизотопное датирование. Для находок возрастом до нескольких десятков тысяч лет лучше всего подходит исследование изотопов углерода.
До самой смерти организм обменивается углеродом с окружающей средой. Этот обмен обеспечивает постоянство изотопного состава углерода внутри организма. Когда же организм умирает, обмен прекращается, и содержание в тканях радиоактивного изотопа 14С начинает падать. В лаборатории, чтобы определить концентрацию 14С и 12С, образец исследуется с использованием масс-спектрографа. Полученные с его помощью данные о концентрации изотопов позволяют определить, сколько лет прошло со времени смерти организма.
Для успешного применения этого метода необходимо знать исходное соотношение концентраций атомов 14С к 12С в организме. Еще в середине XX века считалось, что соотношение изотопов углерода постоянно. Но затем выяснилось, что изотопный состав атмосферы может довольно быстро меняться. Сегодня данные, полученные путем радиоизотопного анализа, калибруются по образцам органики, возраст которой удалось определить другими методами (например, подсчитывая годовые кольца на деревьях).
С помощью радиоизотопного датирования определяют и возраст космических тел. Первое отличие между определением возраста древних тканей и, например, метеоритов состоит в том, что в случае с метеоритами, образовавшимися миллиарды лет назад, для анализа следует использовать элементы с периодом полураспада, измеряющимся тоже миллиардами лет.
Второе отличие более серьезно: оно заключается в самой методологии определения возраста. Если бы мы знали начальный изотопный состав протопланетного облака, то по имеющемуся сегодня изотопному составу образца, например метеорита, мы бы легко установили его возраст, как устанавливаем возраст, скажем, берестяной грамоты. Но этой информации у нас нет, как нет в нашем распоряжении и других методов, позволяющих с необходимой точностью узнать возраст метеоритов. Что же делать?
Есть лазейка. Если в материале, наряду с дочерним (постоянно образовывающимся) изотопом некоторого элемента, присутствует его нерадиоактивный изотоп, не являющийся при этом продуктом какого-либо процесса распада, определить возраст возможно. Делается это следующим образом. Одним из самых удобных для исследования элементов, который часто находят в метеоритах, является изотоп рубидия 87Rb. Когда 87Rb распадается (его период полураспада почти 50 миллиардов лет!), он превращается в изотоп стронция 87Sr. Изотоп 86Sr присутствует в метеоритах, но не является продуктом распада. Когда происходит распад рубидия, соотношение 87Rb к 86Sr уменьшается, а соотношение 87Sr к 86Sr увеличивается. Зная это, можно определить начальное соотношение дочерних и не дочерних изотопов и время, которое прошло с момента минерализации изотопов (включения их в состав астероидов). Что подтверждает правильность данного метода, так это то, что анализ изотопного состава разных элементов в метеоритах, упавших на Землю и Луну, дает одну и ту же цифру – 4,56 миллиарда лет. Получается, именно столько лет назад возникла наша Солнечная система и планета Земля.
Проблемы метрового барьера и радиального дрейфа – не единственные тайны, которые нам необходимо разгадать. На страницах этой книги, почти в каждой главе, будут встречаться вопросы без ответов. Планетология давно покинула область мифов, но совсем недавно стала наукой, предсказания которой можно проверить с помощью наблюдений и компьютерных экспериментов. Труд тысяч людей сформировал то научное знание, которое сегодня находится у нас в руках. Мы действительно, выражаясь словами Исаака Ньютона, «стоим на плечах гигантов». Новая парадигма складывается прямо сейчас, и мы тому свидетели.
Глава 3. Браге, Галилей и Кеплер
Но жребий брошен; я пишу свою книгу. Прочтут ли ее мои современники или потомки, это неважно – она дождется своего читателя.
Есть миф, что Коперник избавился от эпициклов в гелиоцентрической системе мира. Есть миф, что телескоп изобрел Галилео Галилей. При этом забывается долгая история, предшествующая этим событиям. Нам легче осознавать историю, если разбить ее на некие периоды, выделить в ней поворотные моменты, которые словно возникли из ниоткуда. К сожалению, это неправильный взгляд на реальный исторический процесс. История культуры, и науки в частности, больше похожа на паутину, чем на прямую дорогу из желтого кирпича.
Но так как мы занимаемся не историей науки, давайте все же упростим наш рассказ и остановимся на трех ученых из бесчисленного ряда астрономов XVI–XVII веков, которым мы обязаны окончательным утверждением гелиоцентризма: это Тихо Браге (1546–1601), Галилео Галилей (1564–1642) и Иоганн Кеплер (1571–1630). Научный мир в те времена был весьма замкнутым, все более или менее крупные ученые знали друг друга. Жизни и научные достижения Браге, Кеплера и Галилея так переплелись, что невозможно рассказать об одном, не рассказав о двух других. Браге прославился высокоточными наблюдениями, на основании которых Кеплер вывел знаменитые три закона движения планет, и именно благодаря наблюдениям в телескоп Галилея гелиоцентрическая картина мира стала общепризнанной.
Кеплер родился в городке Вайль-дер-Штадт на юге Германии. Его увлечение астрономией началось еще в детские годы. В своих воспоминаниях он описал два ярких эпизода из детства: как он вместе с матерью с холма наблюдал комету в ночном небе и как чуть позже, тоже с матерью, – лунное затмение. Всю свою жизнь Кеплер испытывал трепетную любовь к матери, она играла в его жизни одну из главных ролей. Пройдет много лет, и ее обвинят в колдовстве и посадят в тюрьму. Кеплер, не видя иной возможности спасти мать, сам выступит ее адвокатом. Благодаря его уму, таланту и выдержке он добьется успеха и она избежит костра. Но выйдя из тюрьмы уже совсем старой и больной женщиной (ей было тогда 74), она не проживет и года.
Иоганн Кеплер
Судьба сыграла с Кеплером злую шутку. В шестилетнем возрасте он заболел оспой. К счастью, он выжил, однако болезнь сказалась на зрении. Сильная близорукость и монокулярная полиопия (или множественное зрение, при котором одиночный предмет воспринимается как несколько) остались с ним навсегда. Тем не менее это не помешало ему стать великим астрономом.
В 1591 году Кеплер поступил в университет в Тюбингене, где смог учиться благодаря стипендии, назначенной ему за успешное обучение в школе. В университете на Кеплера оказал большое влияние Михаэль Местлин, астроном и один из первых последователей Коперника. Вслед за учителем Кеплер становится сторонником гелиоцентризма.
После окончания университета, будучи с детства крайне набожным, он должен был стать священнослужителем. Но преподаватели вовремя заметили выдающиеся способности юноши, и его планам не суждено было сбыться. В год окончания университета Кеплера приглашают в Грац на должность математика в протестантской школе.
Мироощущение Кеплера с самого молодого возраста было бурлящей смесью религиозности, любви к астрономии и приверженности к неоплатонизму. Отправной точкой его рассуждений стало убеждение в том, что Бог создал мир геометрически совершенным. В итоге Кеплер всю жизнь потратил на поиски высшей гармонии. Его религиозность была совсем не похожа на ту, о которой любят говорить в школах, обвиняя в невежестве Средневековье, – она представляла собой скорее духовное путешествие. И именно мистическое мироощущение сподвигло его на занятия астрономией – наукой, претендующей на способность объяснить устройство небес. Кеплер задавался вопросами, которые в прошлые столетия старались обходить стороной: почему орбиты планет именно такие, какие есть, а не иные? почему планет именно шесть (столько было известно в его время), а не больше или меньше? Ответы на эти вопросы означали для него разгадку замысла самого Бога. И в конце концов путь Кеплера привел его к тому, что он был не понят и отвергнут даже братьями по протестантской вере.