Считать возраст дерева по количеству годичных колец слишком долго и трудно, а с другими материалами, возраст которых нужно определить, чтобы точно датировать важные исторические артефакты, еще сложнее. Благодаря открытию физико-химика Уилларда Франка Либби — методу радиоуглеродного датирования — можно установить возраст практически любого объекта по содержанию изотопа углерода-14, который присутствует и в костях животных, и в Туринской плащанице, и даже в остатках еды первобытных людей. Метод Либби помогает бороться с подделками и устанавливать исторические периоды более точно — например, окончание Ледникового периода. «Хайтек» собрал к 110-летию ученого примеры исторических открытий с помощью его метода, а также современные высокотехнологичные способы датировки артефактов.
В этом году 110 лет исполнилось бы Уилларду Франку Либби — физику-химику, который изобрел свой метод для определения возраста археологических находок. Это открытие настолько изменило науку, что Либби в 1955 году появился на обложке журнала Time — в один год с Никитой Хрущевым, Дуайтом Эйзенхауэром, Фрэнком Синатрой и принцессой Великобритании Маргарет.
Через пять лет Либби за его открытие присудили Нобелевскую премию. Официальная формулировка — «за введение метода использования углерода-14 для определения возраста в археологии, геологии, геофизике и других областях науки». Ученый высказывался о победе аккуратно: «Сам по себе метод датирования требует осторожности, но его может применять тщательно обученный персонал, соблюдающий чистоту, аккуратность, серьезный подход и обладающий соответствующими практическими навыками». Но если все это соблюсти, то «метод действительно может помочь перелистать назад страницы истории и рассказать человечеству несколько больше о его предшественниках — и о его будущем». О чем идет речь?
Все едят углерод-14
Новости о найденных древних артефактах появляются достаточно часто. Например, на археологических раскопках обнаружили кусок деревянного инструмента, а археолог делает вывод, что ему 5 тыс. лет. Или на раскопках нашли мумию ребенка и смогли понять, что он жил около 2 тыс. лет назад. Откуда ученые знают, сколько лет настолько древнему объекту или человеческим останкам? Скорее всего, они применили радиоуглеродное датирование. Оно используется в датировке таких вещей, как кости, ткани, древесина и растительные волокна.
Либби опирался на то, что углерод состоит из трех изотопов — двух стабильных и одного радиоуглерода. При этом последний постоянно образуется в атмосфере после реакции атомов азота с нейтронами, которые есть в космических лучах. Радиоуглерод попадает в оборот углерода в атмосфере, биосфере и гидросфере. Углерод-14 радиоактивен, с периодом полураспада около 5 700 лет. Это значит, что за 5 700 лет распадется половина этого вещества.
После попадания в атмосферу он превращается в углекислый газ, который потребляют растения в процессе фотосинтеза. Животные, включая человека, потребляют много растений (и животных, которые потребляют растения) — так углерод-14 попадает внутрь всех существ. Он сохраняется в живых организмах до тех пор, пока они живут. Когда они умирают, количество углерода-14 больше не пополняется. Теперь довольно просто определить, сколько всего атомов углерода должно быть в образце, учитывая его вес и химический состав. Зная период распада вещества, мы можем посчитать количество углерода-14 и выяснить, когда организм погиб, и примерное время его жизни.
Однако не все так просто: этот метод действует только для предметов, которые жили в определенный период. Представьте, что у ученого есть килограмм радиоактивного изотопа с периодом полураспада в пять минут. Через пять минут от него останется 500 г, еще через пять минут — 250 г. Через десять таких периодов ученому нечего будет измерять. Для радиоактивного анализа этот период — примерно 40–60 тыс. лет, после этого определить возраст объекта уже будет невозможно.
Когда закончился Ледниковый период
Чтобы проверить эту методику, группа Либби применила метод к образцам, возраст которых уже был известен. В числе первых испытуемых объектов были образцы сосны и кипариса, возраст которых был известен благодаря годичным кольцам. Они также взяли артефакты из музеев — например, кусок древесины из погребальной ладьи египетского фараона Сенусерта III. Возраст предмета они знали благодаря погребальной записке. Результаты оказались точными.
Правда, проверяя на радиоактивность останки животных и растений, получаемые со всего мира — от Северного полюса до Южного, Либби обнаружил некоторое расхождение в данных, связанное с географической широтой. Среди археологических находок, датированных с помощью метода Либби, были кусочки льняной ткани, которыми были перевязаны манускрипты, найденные в районе Мертвого моря, хлеб из дома в Помпеях, погребенных под вулканическим пеплом, древесный уголь со стоянки древних людей в Стоунхендже и кочерыжка кукурузного початка из пещеры в Нью-Мехико.
Эта методика упростила жизнь ученым по всему миру. В XIX и начале XX века терпеливые археологи для того, чтобы понять возраст предметов, связывали керамические и каменные инструменты в разных географических районах сходством формы и рисунка. Затем, используя идею о том, что стили объектов развиваются, становясь все более сложными с течением времени, размещали их по предположительному таймлайну.
Их подход был не совсем точен. Когда появилось радиоуглеродное датирование, многие исследователи изменили свое представление о возрасте объектов. К примеру, раньше существовало убеждение, что цивилизация зародилась в Европе и распространилась по всему миру. Датируя артефакты из Европы, Америки, Азии, Африки и Океании, археологи установили, что цивилизации развивались во многих независимых местах. Поскольку археологи тратили меньше времени на определение возраста артефактов, они могли задавать больше вопросов об эволюции человеческого поведения в доисторические времена.
Работа Либби также внесла большой вклад в геологию. Используя образцы древесины деревьев, когда-то погребенных под ледниковым льдом, команда ученого доказала, что последний ледяной покров в Северной Америке отступил от 10 до 12 тыс. лет назад, а не 25 тыс. лет назад, как ранее подсчитали геологи.
Артефакты или подделки
Таким образом определили возраст множества объектов, но один из самых известных случаев — это радиоуглеродный анализ Туринской плащаницы — четырехметрового льняного полотна, в которое, по преданию, после смерти Иисуса Христа завернули его тело. Однако католическая церковь не признает плащаницу подлинной, а православная не имеет официальной позиции по этому поводу. Большинство ученых считают, что плащаница — фейк.
Для его анализа от объекта нужно было взять довольно большой кусок, сжечь его, а потом проанализировать останки, чему противилась церковь. Однако в 1970-е эта надобность отпала, потому что появилась «ускорительная масс-спектрометрия» — теперь для анализа образца достаточно и грамма материала, потому что ученые могут считать число изотопов, а не ориентироваться на период распада. Семь лабораторий подготовили свои рекомендации по поводу правильности эксперимента и от плащаницы взяли кусок в 7 кв. см и весом в 50 мг. Ученые из-за особенностей радиоуглеродного анализа отмечали, что после исследования им будет известен не возраст предмета, а возраст материала — льна, из которого он сделан, но в этом случае это было не так принципиально. Три разные лаборатории обнародовали свои результаты по возрасту плащаницы — однако они были примерно одинаковыми. Специалисты лабораторий решили, что возраст плащаницы 691 ± 31 год, а дата изготовления находится между 1275 и 1381 годами.
В датировании древних памятников не обошлось без разоблачения подделок. Один из первых образцов из Древнего Египта, который подвергся радиоуглеродному анализу, оказался современной подделкой. Еще один пример — датирование пилтдаунского «человека» из Англии: ожидаемый возраст ученых был около 75 тыс. лет, а реальный — 600 лет. Останкам «Ноева ковчега» же было 1200–1400 лет, а не 5 тыс.
Пилтдаунский человек — одна из самых известных мистификаций XX века. Костные фрагменты — часть черепа и челюсть, обнаруженные в 1912 году в гравийном карьере Пилтдауна — Восточный Сассекс, Англия, были представлены как окаменелые останки ранее неизвестного древнего человека — «недостающего звена» в эволюции между обезьянами и человеком. В течение 40 лет образец оставался объектом споров, пока в 1953 году искусную подделку все же не разоблачили и не установили, что это череп полностью развитого современного человека, намеренно соединенный с немного подпиленной нижней челюстью орангутана и обработанный бихроматом калия для имитации древней окраски. Вопрос об авторстве мистификации еще до конца не решен, но главным подозреваемым считается адвокат и археолог-любитель Чарльз Доусон.
Радиоуглеродное датирование также использовалось для вычисления времени вымирания шерстистого мамонта и внесло свой вклад в дискуссию о том, жили ли современные люди и неандертальцы на Земле в одно время. Несмотря на годы работы, а также открытие, которое перевернуло очень многие представления об истории Земли, Либби скажет, что датирование появилось во многом благодаря удаче.
Cейчас радиоуглеродное датирование используется постоянно — ученые датируют захоронения, останки людей, предметы и наскальные рисунки. Хотя существуют другие методы датирования объектов: например, полеомагнитный, когда измеряется остаточная намагниченность предметов; трековое — путем подсчета количества урана; термолюминесцентное датирование — когда измеряется количество радиоактивного излучения, которому подвергался предмет. Еще одна альтернатива радиоуглеродному датированию стоит особняком — для определения возраста предмета по электронному спиновому резонансу разрушать или деформировать его нужно, ученые замеряют излучающие радиацию дефекты или плотность захваченных электронов.
Но сейчас принято считать, что радиоуглеродное датирование — самый точный метод, который может позволять определить периодизацию предметов из прошлого, а не решить более глобальные вопросы — например, определение возраста Земли. Однако некоторые ученые сетуют на то, что этот метод нельзя использовать для датирования, потому что, по их опыту, он неточный.
Правда, оно скоро может стать неактуальным. Дело в том, что объекты, которые умерли в 1940-е годы и дальше, будут иметь другое соотношения углерода-14. В этот период взрывы ядерных бомб, работы реакторов и испытания поменяли количество поглощаемого вещества. К тому же, на исследования влияют климатические изменения — уровень выбросов ископаемого топлива искажает соотношение углерода в материале, и исследователи могут неправильно интерпретировать результаты датирования, но к 2020 году этот вопрос встанет еще острее.