ФІЗИКА І ІСТОРІЯ

Розглянемо тепер зв'язку настільки різних на перший погляд наук, як фізика і історія. Звичайно, можна досить легко уявити собі, як фізичні методи використовують для ідентифікації різних артефактів, для читання старовинних рукописів і т.п. Однак існує напрямок в історичній науці, де фізичні методи дозволяють досягти вражаючих результатів. Йдеться про археологію, де однією з найважливіших завдань є визначення абсолютного віку викопних органічних останків. Сьогодні найбільш адекватним і інформативним методом такого визначення є радіовуглецевий метод (радиоуглеродная датування, радіовуглецевий аналіз), повністю заснований на фізичних законах. Цей метод був запропонований Уіллардом Франком Ліббі в 1946 р і відзначений Нобелівською премією з хімії 1960 р

Віллард Франк Ліббі (1908-1980) - американський вчений, народився в 1908 р в Гранд-Валлі (штат Колорадо). Після закінчення середньої школи він вступив до Каліфорнійського університету в Берклі, мріючи про кар'єру гірського інженера. Однак незабаром Ліббі зацікавився хімією і в 1931 році отримав ступінь бакалавра з хімії. За дослідження радіоактивних ядер з низькою енергією Ліббі був присуджений докторський ступінь. Під час Другої світової війни він як учасник Манхеттенського проекту брав участь в розробці технології поділу ізотопів урану, що було необхідно для створення атомної бомби. В кінці війни Ліббі став повним професором хімічного факультету Чиказького університету. Він показав, що бомбардування космічними променями перетворює атмосферне азот в радіоактивний вуглець. Він поглинається рослинами і потрапляє в організми тварин і людини. Звідси вчений дійшов висновку, що всі живі істоти мають постійним рівнем радіоактивності, який падає після смерті організму. Це стало основою радіовуглецевого датування органічних останків.

У 1960 р Ліббі була присуджена Нобелівська премія з хімії «за введення методу використання вуглецю-14 для визначення віку в археології, геології, геофізики та інших областях науки». Помер вчений в 1980 р

У 1939 р С. Корф з Нью-Йоркського університету виявив, що, коли космічні промені пронизують верхні шари атмосфери, з'являється потік нейтронів. Інші дослідження вказували, що азот, з якого на 80% складається атмосфера, поглинає нейтрони і потім розпадається на радіоактивний вуглець-14 (радіовуглець). Це дозволило Ліббі припустити, що бомбардування космічними променями викликає перетворення атмосферного азоту в радіоактивний вуглець. Він окислюється на повітрі до вуглекислого газу і поглинається рослинами при фотосинтезі. Ліббі висунув теорію, згідно з якою радіоактивний вуглець генерується з постійною швидкістю і що, одного разу потрапивши в молекулу, він в ній залишається. Вчений зробив висновок, що всі живі організми володіють постійним рівнем радіоактивності, який падає після їх смерті. Тривалість життя радіоактивного ізотопу визначається періодом напіврозпаду, який для вуглецю-14 складає 5730 років. Це час - невелике в порівнянні з віком Землі, але досить протяжне для відновлення рівноваги в процесі утворення і розпаду радіовуглецю. Ліббі прийшов до висновку, що «повинна існувати можливість шляхом вимірювання залишилася радіоактивності виміряти час, який минув з моменту смерті, якщо вона сталася в період від 500 до 30 тис. Років тому».

Точність нового методу Ліббі перевірив шляхом вимірювання радіоактивності зразків червоного дерева і ялиці, точний вік яких був раніше встановлений за кількістю річних кілець. З цього часу він став широко застосовуватися в археології та геології. Серед археологічних знахідок, правильно датованих за допомогою методу Ліббі, були шматочки лляної тканини, якими були перев'язані манускрипти, знайдені в районі Мертвого моря, хліб з дому в Помпеях, похованих під вулканічним попелом в 79 р н.е., деревне вугілля зі стоянки древніх людей в Стоунхенджі (Англія). Метод радіовуглецевого аналізу швидко отримав визнання в якості основного способу встановлення дат подій, що сталися в останні 70 тис. Років.

Вихідні припущення Ліббі, на яких будується метод радіовуглецевого датування, полягають у тому, що співвідношення ізотопів вуглецю в атмосфері в часі і просторі не змінюється, а вміст ізотопів в живих організмах в точності відповідає поточному стану атмосфери. Однак, як було встановлено в подальшому, ці припущення не можуть вважатися абсолютними. Зміст ізотопу 14 С в атмосфері залежить від багатьох факторів, в числі яких інтенсивність космічних променів і активності Сонця, стан атмосфери і магнітосфери Землі, вулканічна діяльність на нашій планеті (вуглець, що міститься в вулканічних викидах, практично не містить 14 С), проведення атмосферних ядерних випробувань, які створили в 1950-1960-х рр. значний викид (близько 0,5 т) радіовуглецю в атмосферу (бомбовий ефект), спалювання великої кількості викопних видів (ефект Зюсс, що виник з початком промислової революції в XIX в.).

Два останніх фактора унеможливлюють проведення точних радіовуглецевих датувань зразків XX в.

Археологи, які без ентузіазму прийняли метод Ліббі, виявили, що в первісному вигляді він досить часто призводить до помилок. В даний час для правильного застосування методу проведена ретельна калібрування, що враховує зміну співвідношення ізотопів для різних епох і географічних регіонів, а також врахування специфіки накопичення радіоактивних ізотопів в живих істотах і рослинах. Для калібрування методу використовується визначення співвідношення ізотопів для предметів, абсолютна датування яких свідомо відома. Остання версія калібрувальної кривої (опублікована в 2009 р), що використовується для перерахунку виміряного радіовуглецевого віку зразка в абсолютний вік, охоплює останні 50 000 років. Вона отримана на основі численних вимірів точно датованих деревних кілець дерев (за останні 12000 років), річних приростів коралів і відкладень раковин одноклітинних найпростіших - форамініфер. Похибка радіовуглецевого методу в даний бреше знаходиться в межах від 70 до 300 років. Новий калібрувальний стандарт замінив існуючий під назвою IntCal09 в кінці 2012 р

Радіовуглецевий метод датування віку природних і археологічних об'єктів є одним з найнадійніших, точних і поширених методів ядерної геохронології. Існує цілий ряд історичних і кліматологічних відкриттів, зроблених за допомогою методу Ліббі. Перерахуємо деякі з них. Напевно, головною заслугою методу слід вважати встановлення часу льодовикових періодів. Радіовуглецевий аналіз показав, що за останні 40 тис. Років на Землі відбулося три льодовикові періоди. Найпізніший з них - приблизно 10400 років тому. З тих пір на Землі відносно тепло. Було також визначено, що ожилим бактеріям, знайденим на глибині крижаного озера в Антарктиді, близько 2800 років. Це озеро може служити прообразом умов, що сформувалися на інших планетах, зокрема в марсіанських льодовиках. Дослідникам з Ізраїлю і Великобританії за допомогою радіовуглецевого аналізу вдалося довести, що знаменитий Сілоамская тунель (він несе води джерела Гион під древнім Єрусалимом в Верхній, або Сілоамская, басейн) дійсно був створений близько 700 м до н.е., як це описано в Біблії.

У 1988 р великий резонанс отримало повідомлення про радіовуглецевого датування знаменитої християнської святині - Туринської плащаниці, проведеної одночасно в декількох лабораторіях. Згідно традиційної версії цей шматок тканини зберігає на собі сліди тіла розп'ятого Христа (I століття н.е.), тобто вік тканини повинен бути близько 2000 років. Радіовуглецеве датування дало зовсім іншу дату: приблизно XI-XIII ст. н.е. Звідси напрошуються висновки: або Туринська плащаниця - фальсифікат, або помилки радіовуглецевого датування можуть досягати сотень або навіть тисяч років, або Туринська плащаниця - оригінал, але датований НЕ I в. н.е., а XI-XIII ст. н.е. Тоді виникає вже інше питання - в якому столітті жив Христос? Скептики вважають, що плащаниця - середньовічна підробка. Прихильники ж автентичності реліквії вважають отримані дані результатом забруднення плащаниці вуглецем при пожежі в XVI в. Однак оскільки при датуванні використовується целюлоза волокон тканини, останнє пояснення не є переконливим.

Незважаючи на те що радіовуглецеве датування вже давно увійшло в наукову практику і досить широко використовується, в навколонаукових публікаціях і в Інтернеті зустрічається критика цього методу, що ставить під сумнів як окремі випадки його застосування, так і теоретичні підстави методу в цілому. Як правило, радіовуглецевий метод критикується прихильниками креаціонізму, «Нової хронології» та інших псевдонаукових концепцій. Зазвичай така критика радіовуглецевого аналізу грунтується на самих ранніх наукових публікаціях, що відображають стан методології в 1960-х рр., І на нерозумінні фізичних основ методу і особливостей калібрування.

Вище ми описали найбільш часто вживається метод ядерної геохронології - радіовуглецевий. Для визначення віку більш древніх знахідок також використовують фізичні методи. Ідею радіоізотопного датування запропонував Е. Резерфорд в 1905 р, через 9 років після відкриття явища радіоактивності. У 1907 році американський вчений-радіохімік Бертрам Болтвуд (1870-1927) опублікував перші результати визначення віку деяких геологічних зразків. У наступні роки йшов інтенсивний розвиток ядерної фізики та удосконалення технологій, завдяки чому до середини XX в. була досягнута прийнятна точність радіоізотопних датувань. Цьому особливо сприяло винахід мас-спектрометра.

В даний час використовуються різні радіоізотопні методи, які годяться для різних матеріалів, різних інтервалів віку і мають різну точність. До одного з них відноситься уран-свинцевий метод. При хорошому виконанні він є найнадійнішим методом для дослідження зразків з віком близько сотень мільйонів років. При такому віці досяжна точність методу ~ 0,1%. Уран-свинцевий метод дозволяє датувати навіть зразки, близькі за строками до віку Землі, внаслідок великого періоду напіврозпаду ізотопів урану. Висока точність досягається завдяки тому, що використовуються два ізотопу урану, ланцюжки розпаду яких закінчуються різними ізотопами свинцю, а також завдяки деяким властивостям циркону - мінералу, який зазвичай використовується для уран-свинцевих датувань.

Свинець-свинцевий метод зазвичай застосовують для визначення віку зразків, що складаються з суміші мінералів. Цей метод добре підходить для датування метеоритів, а також земних порід, які зазнали недавню втрату урану. Свинець- свинцевим методом було визначено час формування планет Сонячної системи (тобто вік Землі). Це вперше зробив американський геохімік Клер Кемерон Паттерсон (1922-1995) в 1956 р з досліджень метеоритів різних типів. Сучасне значення віку Землі становить 4,54 ± ± 0,05 мільярди років.

У палеонтології поширений калій-аргоновий метод, в якому використовується розпад ізотопу 40 К. Період напіврозпаду 40 К з урахуванням двох шляхів розпаду приблизно дорівнює 1,25 млрд років. Це дозволяє датувати і зразки з віком, що дорівнює віку Землі, і зразки з віком в сотні, а іноді і десятки тисяч років. У 1937 р німецький фізик Карл Вайцзеккер (1912- 2007) встановив, що 40 К має подвійний ланцюг розпаду. Незважаючи на те що безпосередньо застосування цієї схеми розпаду для датування тим методом, який ми сьогодні називаємо калій-аргоновим, почалося пізніше, зазвичай саме Вайцзеккер віддається пріоритет першовідкривача. Перші спроби датувати калієві мінерали по аргону були здійснені в 1948 р в США і в СРСР. Потім послідували повальне захоплення, майже повне забуття і період відродження цього методу.

Як приклад його застосування можна привести відому датування виверження вулкана Везувій в 79 р н.е., яке поховало Помпеї і Геркуланум. В даному випадку це датування знаменита не тим, що дала нову інформацію для археологів, а тим, що показала ефективність методу на рівні перших тисяч років н.е. Що ж стосується нової інформації, наприклад для антропології, то описуваних методом на початку 1990-х рр. датувалися останки жінки-австралопітека «Люсі», знайденої на півночі Танзанії в 1974 р Звичайно ж, визначався вік не самих кісток, а вулканічного попелу, в яких вони були поховані. В результаті вік Люсі виявився трохи більше 3 млн років.

Радіоізотопна хронологія - яскравий приклад використання фізичних уявлень в інших науках - історії, палеонтології, геології. Втім, фізика допомагає історії не тільки у визначенні віку археологічних знахідок. Фізичні методи використовуються і в інших областях історії.

Нещодавно стало відомо, що американські вчені з Музею мистецтва Уолтерса виявили найдавніші тексти античного вченого Архімеда. Використовуючи новітню технологію флуоресценції під дією рентгенівських променів, вони виявили на старовинних релігійних свитках 7 трактатів Архімеда. Тексти були написані в X ст. н.е. на пергаменті, зробленому з козячої шкіри. Серед виявлених творів вченого - «Метод механічних теорем» і «Стомахіон», раніше відомі лише по одній копії, а також унікальний витвір «Про плаваючих тілах».

Книга з трактатами Архімеда була виготовлена невідомим писарем в X ст. н.е. 300 років по тому монах з Єрусалиму І. Міронас зробив з першої книги палімпсест (пергамент, з якого прибрано написаний текст, щоб скористатися ним знову). Він змив початковий текст, розрізав сторінки надвоє, а половини листів зшив в нову книгу, помістивши їх вертикально. Точно так само він вчинив з творами давньогрецького оратора Гіперіда і іншими філософськими трактатами, з пергаменту яких в результаті вийшов требник - богослужбова книга, що містить молитви і священнодійства, які відбуваються в особливих умовах.

У XX ст. невідомий шахрай з США змив записи з чотирьох сторінок книги і написав на них стилізовані під Візантію мініатюри з зображеннями чотирьох євангелістів. Шахрай намагався продати книгу не знайомим з грецькою мовою любителям антикваріату, видавши її за Євангеліє. Але на пергаменті залишилися сліди початкової рукописи, яку сучасні вчені змогли прочитати, використовуючи рентгенівські й інфрачервоні промені, а також деякі інші сучасні технології.

У складі найперших чорнила, якими були записані тексти Архімеда, містилося залізо, яке залишилося на пергаменті. У рентгенівських променях солі заліза світяться, що дозволяє дослідникам прочитати літери. На реконструкцію кожній сторінці йде не менше 12 ч. Куратор відділу рукописів музею мистецтв Уолтерса в Балтіморі У. Ноель вважає знахідку книги «восьмим чудом світу». Ось як він висловився з цього приводу: «Ніколи раніше не вдавалося знайти відразу три античних тексту в одному палімпсесті, це абсолютно неймовірно. Це все одно, що отримати факс з III в. до Різдва Христового ».

Комп'ютерна томографія набула поширення не тільки в медицині. Історики взяли її на озброєння при обстеженні давньоєгипетських «пацієнтів», вік яких вимірюється тисячами років, і зуміли заглянути всередину мумій, не порушуючи їх спокою. З появою сучасних комп'ютерних методів вдалося побачити фараонів і їх наближених такими, якими вони були насправді. На основі томографічних даних вдалося реконструювати їх зовнішній вигляд, визначити техніку муміфікації і використовувалися при бальзамуванні матеріали, вивчити амулети й коштовності, захоронення разом з померлими, отримати уявлення про перенесені хвороби та ймовірні причини їх смерті. Крім того, сканування дозволило ідентифікувати останки деяких забальзамованих царствених осіб.

Особливий інтерес представляла собою мумія, знайдена ще на початку XIX ст. при розкопках поховання Рамзеса I. Дослідники припускали, що ця мумія людини, що належав до царського роду. Про це говорила його характерна поза зі схрещеними на грудях руками. Комп'ютерна томографія, проведена в 2000 р, дозволила зі значною часткою впевненості стверджувати, що мумія є залишком Рамзеса I - засновника 19-й династії. У фараона, померлого у віці близько 60 років, був виявлений артрит. В даний час розпочато докладне вивчення єгипетських мумій методами комп'ютерної томографії. Єгипетська влада заявила, що готові надати для досліджень всю колекцію мумій, котрі знаходяться в Каїрському музеї. Історики і археологи сподіваються прояснити багато хто не відомі обставини життя і смерті царів і придворних Стародавнього Єгипту.

 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >