Страница:
Близкие связи между цветами и опылителями являют собой превосходный пример коэволюции, то есть совместной эволюции. Коэволюция часто происходит у организмов, которые получают друг от друга пользу, у партнеров, каждый из которых может чем-либо помочь другому, причем обоим по тем или иным причинам это сотрудничество выгодно. Вот еще один замечательный пример взаимосвязей, независимо возникших в разных частях света, – симбиоз крупных рыб и чистильщиков, обитающих в коралловых рифах. Чистильщики принадлежат к разным видам рыб, а иногда и не рыб вовсе, а креветок – чудесный пример конвергентной эволюции. Стратегия чистильщиков, так же как и стратегия млекопитающих-охотников, пастбищных животных или поедателей муравьев, является вполне надежной. Их специализацией является сбор паразитов с тела крупных клиентов. Можно с легкостью продемонстрировать, какую выгоду получают клиенты от этой работы: просто удалите из опытной акватории всех чистильщиков, и тут же состояние многих рыб ухудшится. Я обсуждал тему чистильщиков в различных работах, поэтому не буду здесь останавливаться на ней.
Коэволюция может идти и в том случае, когда виды не выгадывают от обоюдного присутствия, как, например, хищники и жертвы, паразиты и их несчастные хозяева. Этот тип коэволюции иногда называют “гонкой вооружений”. Мы рассмотрим его в главе 12.
Природа как селективный агент
Глава 4
Годичные кольца
Радиоактивные “часы”
Коэволюция может идти и в том случае, когда виды не выгадывают от обоюдного присутствия, как, например, хищники и жертвы, паразиты и их несчастные хозяева. Этот тип коэволюции иногда называют “гонкой вооружений”. Мы рассмотрим его в главе 12.
Природа как селективный агент
Итак, отбор, осуществляемый человеком, может превратить дворнягу в пекинеса или дикую капусту в капусту цветную в течение жизни нескольких столетий. Объем различий между двумя породами собак дает нам примерное представление о том, сколько изменений может накопиться менее чем за тысячелетие. Теперь зададимся вопросом: о скольких тысячелетиях мы говорим, когда обсуждаем историю жизни на Земле? Мы представляем себе, насколько изменилась дворняга, превратившись всего за несколько столетий в пекинеса. А сколько времени отделяет нас от начала эволюции или, например, от появления млекопитающих? Или выхода рыб на сушу? Ответ таков: жизнь началась не столетия, а десятки миллионов столетий назад. Измеряемый возраст нашей планеты примерно равен 4,6 миллиарда лет, или 46 миллионам столетий. Общий предок современных нам млекопитающих ходил по земле примерно два миллиона столетий назад. Для нас, людей, век – это очень, очень долго. А можем ли мы представить себе два миллиона веков? Наши рыбообразные предки вышли на сушу примерно 3,5 миллиона столетий назад – это примерно в двадцать тысяч раз больше, чем ушло на появление такого количества разных (действительно разных) пород собак со времени жизни их последнего общего предка.
Вспомните об отличии дворняги от пекинеса. Речь не идет о точных измерениях. Мы могли бы взять две другие породы собак, поскольку их различия примерно равны удвоенному объему изменений, произошедших со времени жизни их последнего общего предка. Задержим этот образ на секунду в памяти и экстраполируем в прошлое, отстоящее в двадцать тысяч раз дальше. При таком подходе достаточно просто принять как факт: эволюция могла успеть сделать достаточно ходов для преобразования рыбы в человека. Все это, однако, означает, что мы считаем возраст Земли известным, как и хронологию ключевых эпизодов палеонтологической летописи. Поскольку эта книга посвящена доказыванию, я не могу просто указать даты – я должен подтвердить их. Но как узнать возраст определенного куска горной породы? Как определить возраст окаменелостей? Как определить возраст Земли? Как определить возраст Вселенной? Нам нужны часы. О них и пойдет речь в следующей главе.
Вспомните об отличии дворняги от пекинеса. Речь не идет о точных измерениях. Мы могли бы взять две другие породы собак, поскольку их различия примерно равны удвоенному объему изменений, произошедших со времени жизни их последнего общего предка. Задержим этот образ на секунду в памяти и экстраполируем в прошлое, отстоящее в двадцать тысяч раз дальше. При таком подходе достаточно просто принять как факт: эволюция могла успеть сделать достаточно ходов для преобразования рыбы в человека. Все это, однако, означает, что мы считаем возраст Земли известным, как и хронологию ключевых эпизодов палеонтологической летописи. Поскольку эта книга посвящена доказыванию, я не могу просто указать даты – я должен подтвердить их. Но как узнать возраст определенного куска горной породы? Как определить возраст окаменелостей? Как определить возраст Земли? Как определить возраст Вселенной? Нам нужны часы. О них и пойдет речь в следующей главе.
Глава 4
Молчаливая старина
Если “отрицатели истории”, сомневающиеся в том, что эволюция – это факт, просто не знают биологии, то те, кто считает, что мир младше десяти тысяч лет, не просто невежды: их заблуждения граничат с безумием. Они отрицают не только факты, поставляемые биологией, но также физикой, геологией, космологией, археологией, историей и химией. Эту главу я посвящу определению возраста горных пород и содержащихся в них окаменелостей. Я представлю доказательства того, что время существования жизни на нашей планете измеряется не тысячелетиями, а тысячами миллионов лет. Вспомним уже использованную мной аналогию. Эволюционист находится в положении детектива, прибывшего на место преступления. Чтобы выяснить, когда происходили события, мы изучаем следы процессов, зависящих от времени, то есть пользуемся часами в широком смысле слова. Детектив, приступая к расследованию убийства, прежде всего интересуется у врача или патологоанатома временем смерти жертвы. Это весьма важная информация, и в детективной литературе заключению медика придается почти мистическое значение. Знание времени смерти – отправная точка рассуждений детектива. Оценка, конечно, может быть ошибочной. Патологоанатом для установления времени смерти наблюдает за ходом различных процессов: тело остывает постепенно и с известной скоростью, трупное окоченение наступает в определенный момент, и так далее. Это – достаточно грубые “часы”, доступные следователю. Часы, имеющиеся в распоряжении эволюциониста, потенциально гораздо точнее (разумеется, в рамках своей шкалы), и камень юрского периода в руках геолога больше похож на точный хронометр, чем остывающее тело, доставшееся патологоанатому.
Часы, изготовленные человеком, измеряют пренебрежимо малые с эволюционной точки зрения доли – часы, минуты, секунды – и поэтому основаны на быстрых динамических процессах: качании маятника, раскручивании пружины, колебаниях кристаллов, горении свечи, вытекании воды из сосуда или высыпании песка, вращении Земли (определяемом по движению солнечной тени). Эти процессы протекают с известной постоянной скоростью. Маятник качается с известной частотой, определяемой, по крайней мере в теории, только его длиной, но не амплитудой колебаний и не массой груза на его конце. Напольные часы работают благодаря присоединению маятника к анкеру, передающему движение зубчатому колесу, которое при помощи системы шестеренок обеспечивает ход секундной, минутной и часовой стрелок. Пружинные часы работают почти так же. Кварцевые часы работают при помощи эквивалента маятника – колебаний кристаллов определенного вида под воздействием энергии, поставляемой батарейкой. Водяные и огненные часы обладают куда меньшей точностью, но ими широко пользовались до изобретения часов, основанных на постоянстве хода. Они основаны не на подсчете отрезков времени, как маятниковые или цифровые часы, а на измерении объема. Солнечные часы – неточный способ измерения времени. Однако вращение Земли позволяет создать более точные, хотя и медленные часы, которые мы называем календарем. Это происходит именно потому, что при таком масштабе часы становятся не измеряющими (как солнечные часы, измеряющие постоянно меняющееся склонение солнца), а счетными (подсчитывающими число циклов день/ночь).
В медленном временном масштабе эволюционного процесса мы располагаем как счетными, так и измеряющими часами. Но для того, чтобы по-настоящему исследовать эволюционный процесс, нам скорее нужны не часы, определяющие текущее время, как солнечные или механические часы, а аналог секундомера, который можно обнулять. Нам нужно, чтобы эволюционные часы в какой-то момент обнулились, чтобы мы могли затем подсчитать, сколько времени прошло с этого момента, и установить абсолютный возраст объекта, например фрагмента горной породы. Так, радиоактивные часы для измерения возраста вулканической породы обнуляются в момент ее образования из затвердевающей лавы.
К счастью, существует несколько разновидностей природных “часов” с возможностью обнуления. Особенно приятно как раз то, что их несколько: это позволяет нам проверять точность одних часов с помощью других. Еще приятнее то, что они покрывают огромный спектр временных масштабов, и это нам действительно необходимо, поскольку временные масштабы эволюционного процесса могут различаться на семь или восемь порядков. Думаю, будет полезным объяснить, что это значит.
“Порядок” – весьма точное понятие. Изменение на один порядок подразумевает умножение или деление на десять. Поскольку мы пользуемся десятичной системой счисления[24], то порядок числа определяется количеством нолей до или после запятой. Таким образом, различие на восемь порядков – это различие в сто миллионов раз. Секундная стрелка часов вращается в 60 раз быстрее минутной стрелки и в 720 раз быстрее часовой. Следовательно, три стрелки часов покрывают меньше, чем три порядка. Это – ничто по сравнению с восемью порядками, покрываемыми нашим арсеналом геологических часов. Для коротких промежутков времени (до долей секунды) существуют “часы”, основанные на радиоактивном распаде, но самые точные часы, которые нам могут потребоваться для эволюционных нужд, измеряют века или десятилетия. Эти “быстрые” природные часы – годичные кольца деревьев и радиоуглеродный метод датирования – полезны археологам и при определении возраста образцов времен одомашнивания собак или капусты. На противоположном конце шкалы нам нужны часы, способные надежно отмерять сотни миллионов и даже миллиарды лет. И – хвала природе – она предоставила нам весь спектр “часов”, которые могут нам потребоваться. Более того, их шкалы перекрывают друг друга, что позволяет нам использовать их для перепроверки.
Часы, изготовленные человеком, измеряют пренебрежимо малые с эволюционной точки зрения доли – часы, минуты, секунды – и поэтому основаны на быстрых динамических процессах: качании маятника, раскручивании пружины, колебаниях кристаллов, горении свечи, вытекании воды из сосуда или высыпании песка, вращении Земли (определяемом по движению солнечной тени). Эти процессы протекают с известной постоянной скоростью. Маятник качается с известной частотой, определяемой, по крайней мере в теории, только его длиной, но не амплитудой колебаний и не массой груза на его конце. Напольные часы работают благодаря присоединению маятника к анкеру, передающему движение зубчатому колесу, которое при помощи системы шестеренок обеспечивает ход секундной, минутной и часовой стрелок. Пружинные часы работают почти так же. Кварцевые часы работают при помощи эквивалента маятника – колебаний кристаллов определенного вида под воздействием энергии, поставляемой батарейкой. Водяные и огненные часы обладают куда меньшей точностью, но ими широко пользовались до изобретения часов, основанных на постоянстве хода. Они основаны не на подсчете отрезков времени, как маятниковые или цифровые часы, а на измерении объема. Солнечные часы – неточный способ измерения времени. Однако вращение Земли позволяет создать более точные, хотя и медленные часы, которые мы называем календарем. Это происходит именно потому, что при таком масштабе часы становятся не измеряющими (как солнечные часы, измеряющие постоянно меняющееся склонение солнца), а счетными (подсчитывающими число циклов день/ночь).
В медленном временном масштабе эволюционного процесса мы располагаем как счетными, так и измеряющими часами. Но для того, чтобы по-настоящему исследовать эволюционный процесс, нам скорее нужны не часы, определяющие текущее время, как солнечные или механические часы, а аналог секундомера, который можно обнулять. Нам нужно, чтобы эволюционные часы в какой-то момент обнулились, чтобы мы могли затем подсчитать, сколько времени прошло с этого момента, и установить абсолютный возраст объекта, например фрагмента горной породы. Так, радиоактивные часы для измерения возраста вулканической породы обнуляются в момент ее образования из затвердевающей лавы.
К счастью, существует несколько разновидностей природных “часов” с возможностью обнуления. Особенно приятно как раз то, что их несколько: это позволяет нам проверять точность одних часов с помощью других. Еще приятнее то, что они покрывают огромный спектр временных масштабов, и это нам действительно необходимо, поскольку временные масштабы эволюционного процесса могут различаться на семь или восемь порядков. Думаю, будет полезным объяснить, что это значит.
“Порядок” – весьма точное понятие. Изменение на один порядок подразумевает умножение или деление на десять. Поскольку мы пользуемся десятичной системой счисления[24], то порядок числа определяется количеством нолей до или после запятой. Таким образом, различие на восемь порядков – это различие в сто миллионов раз. Секундная стрелка часов вращается в 60 раз быстрее минутной стрелки и в 720 раз быстрее часовой. Следовательно, три стрелки часов покрывают меньше, чем три порядка. Это – ничто по сравнению с восемью порядками, покрываемыми нашим арсеналом геологических часов. Для коротких промежутков времени (до долей секунды) существуют “часы”, основанные на радиоактивном распаде, но самые точные часы, которые нам могут потребоваться для эволюционных нужд, измеряют века или десятилетия. Эти “быстрые” природные часы – годичные кольца деревьев и радиоуглеродный метод датирования – полезны археологам и при определении возраста образцов времен одомашнивания собак или капусты. На противоположном конце шкалы нам нужны часы, способные надежно отмерять сотни миллионов и даже миллиарды лет. И – хвала природе – она предоставила нам весь спектр “часов”, которые могут нам потребоваться. Более того, их шкалы перекрывают друг друга, что позволяет нам использовать их для перепроверки.
Годичные кольца
При помощи часов, основанных на образовании годичных колец у деревьев, можно с потрясающей точностью, буквально до года, определить возраст куска древесины, например балки в доме эпохи Тюдоров. Вот как это происходит. Во-первых, возраст спиленного дерева можно определить, подсчитав годовые кольца на срезе ствола (внешнее кольцо соответствует настоящему времени). Кольца отражают разную скорость роста в зависимости от времени года и природных условий – зима или лето, сухой или влажный сезон – и особенно выражены в высоких широтах, где времена года резко различаются. К счастью, чтобы определить возраст дерева, не обязательно его рубить. Можно пробурить небольшое отверстие до сердцевины ствола и выпилить пробу – тонкий деревянный стержень. Однако простой подсчет колец не покажет, в каком веке потолочная балка или мачта драккара перестала быть деревом. Если вы хотите определить, когда жило старое, давно умершее дерево, надо не просто подсчитать кольца, а уделить внимание чередованию широких и узких колец.
Поскольку погода меняется от года к году, условия роста меняются вместе с ней: в годы засухи рост приостанавливается, в урожайные годы ускоряется. Бывают холодные и жаркие годы. Случаются катастрофы вроде взрыва Кракатау, дает о себе знать Южная осцилляция[25]. Все это отражается на ширине годовых колец, подобно тому, как само существование колец является отражением сезонных изменений темпа роста. Хороший с точки зрения дерева год даст более широкое кольцо. Последовательность плохих и хороших лет в любом регионе будет отражаться на всех местных деревьях, формируя своеобразный “отпечаток пальца”, прекрасно узнаваемый от дерева к дереву.
Дендрохронологи измеряют кольца на деревьях, для которых точно известна дата образования любого из колец, отсчитанная назад от года, когда дерево было повалено. На основании этих данных составляется дендрохронологическая таблица, с которой можно сравнить образец дерева, возраст которого вы хотите установить. В итоге вы можете получить примерно такой ответ: “Эта балка содержит характерную последовательность колец, совпадающую с образцом из коллекции и соответствующую 1541–1547 годам. Таким образом, дом был построен после 1547 года”.
Что такое дендрохронология
Все прекрасно, однако не многие из современных нам деревьев росли при Тюдорах, тем более в каменном веке или еще раньше. Существуют деревья – остистые сосны, мамонтовы деревья, – которые живут тысячелетиями, но подавляющее большинство используемых для получения древесины деревьев гибнет в первое столетие их жизни. Как собрать коллекцию узоров древесных колец для более древних времен? Для времен столь давних, что ни одна из живущих ныне остистых сосен их не упомнит? Думаю, вы знаете ответ: перекрывания. Веревка может быть тридцати метров длины, но ни одно из ее волокон не достигает этой длины. Итак, берем последовательности годичных колец, время образования которых известно по современным деревьям. Затем определяем характерную последовательность колец, восходящую к молодости самых старых из современных деревьев, и ищем аналогичную последовательность ближе к концу жизни давно погибших деревьев. И так далее. Теоретически можно проложить таким образом путь в прошлое на миллионы лет, используя окаменелые остатки ископаемых деревьев, хотя на практике дендрохронологический метод применяется в масштабе нескольких тысячелетий. Самое увлекательное в дендрохронологии то, что вы можете установить дату с точностью до года, по крайней мере теоретически, вне зависимости от того, жило это дерево век назад или сто миллионов лет назад. Вы можете точно сказать, что это кольцо в окаменелом дереве юрского периода появилось ровно 257 лет спустя после этого кольца в другом дереве той же эпохи! Если бы существовало достаточное количество окаменелых лесов, чтобы можно было проложить надежный путь в прошлое, мы могли бы сказать, что это не просто позднеюрский возраст, а что это дерево жило точно в 151432657 году до нашей эры! К сожалению, у нас нет непрерывной цепи, и дендрохронология позволяет нам уйти в прошлое только на 11 тысяч 500 лет. Тем не менее, что поразительно, будь на свете достаточно окаменелых древесных остатков, мы могли бы устанавливать дату с точностью до года на масштабе в сотни миллионов лет.
Годичные кольца деревьев – не единственный метод, позволяющий обеспечить точность датирования до года. Варвы – годичные слои осадков, накапливающиеся в ледниковых озерах. Как и у деревьев, их толщина зависит от условий года, поэтому теоретически к ним можно применять тот же принцип. И у кораллов есть годичные кольца. Они позволяют устанавливать даты древних землетрясений (древесные годичные кольца, кстати, тоже). Большинство других имеющихся в нашем распоряжении методов датирования, включая радиометрические, которыми мы пользуемся на масштабах миллионов или миллиардов лет, точны только в пределах погрешности, величина которой пропорциональна измеряемому времени.
Поскольку погода меняется от года к году, условия роста меняются вместе с ней: в годы засухи рост приостанавливается, в урожайные годы ускоряется. Бывают холодные и жаркие годы. Случаются катастрофы вроде взрыва Кракатау, дает о себе знать Южная осцилляция[25]. Все это отражается на ширине годовых колец, подобно тому, как само существование колец является отражением сезонных изменений темпа роста. Хороший с точки зрения дерева год даст более широкое кольцо. Последовательность плохих и хороших лет в любом регионе будет отражаться на всех местных деревьях, формируя своеобразный “отпечаток пальца”, прекрасно узнаваемый от дерева к дереву.
Дендрохронологи измеряют кольца на деревьях, для которых точно известна дата образования любого из колец, отсчитанная назад от года, когда дерево было повалено. На основании этих данных составляется дендрохронологическая таблица, с которой можно сравнить образец дерева, возраст которого вы хотите установить. В итоге вы можете получить примерно такой ответ: “Эта балка содержит характерную последовательность колец, совпадающую с образцом из коллекции и соответствующую 1541–1547 годам. Таким образом, дом был построен после 1547 года”.
Все прекрасно, однако не многие из современных нам деревьев росли при Тюдорах, тем более в каменном веке или еще раньше. Существуют деревья – остистые сосны, мамонтовы деревья, – которые живут тысячелетиями, но подавляющее большинство используемых для получения древесины деревьев гибнет в первое столетие их жизни. Как собрать коллекцию узоров древесных колец для более древних времен? Для времен столь давних, что ни одна из живущих ныне остистых сосен их не упомнит? Думаю, вы знаете ответ: перекрывания. Веревка может быть тридцати метров длины, но ни одно из ее волокон не достигает этой длины. Итак, берем последовательности годичных колец, время образования которых известно по современным деревьям. Затем определяем характерную последовательность колец, восходящую к молодости самых старых из современных деревьев, и ищем аналогичную последовательность ближе к концу жизни давно погибших деревьев. И так далее. Теоретически можно проложить таким образом путь в прошлое на миллионы лет, используя окаменелые остатки ископаемых деревьев, хотя на практике дендрохронологический метод применяется в масштабе нескольких тысячелетий. Самое увлекательное в дендрохронологии то, что вы можете установить дату с точностью до года, по крайней мере теоретически, вне зависимости от того, жило это дерево век назад или сто миллионов лет назад. Вы можете точно сказать, что это кольцо в окаменелом дереве юрского периода появилось ровно 257 лет спустя после этого кольца в другом дереве той же эпохи! Если бы существовало достаточное количество окаменелых лесов, чтобы можно было проложить надежный путь в прошлое, мы могли бы сказать, что это не просто позднеюрский возраст, а что это дерево жило точно в 151432657 году до нашей эры! К сожалению, у нас нет непрерывной цепи, и дендрохронология позволяет нам уйти в прошлое только на 11 тысяч 500 лет. Тем не менее, что поразительно, будь на свете достаточно окаменелых древесных остатков, мы могли бы устанавливать дату с точностью до года на масштабе в сотни миллионов лет.
Годичные кольца деревьев – не единственный метод, позволяющий обеспечить точность датирования до года. Варвы – годичные слои осадков, накапливающиеся в ледниковых озерах. Как и у деревьев, их толщина зависит от условий года, поэтому теоретически к ним можно применять тот же принцип. И у кораллов есть годичные кольца. Они позволяют устанавливать даты древних землетрясений (древесные годичные кольца, кстати, тоже). Большинство других имеющихся в нашем распоряжении методов датирования, включая радиометрические, которыми мы пользуемся на масштабах миллионов или миллиардов лет, точны только в пределах погрешности, величина которой пропорциональна измеряемому времени.
Радиоактивные “часы”
Теперь перейдем к радиометрическому датированию. Нам есть из чего выбирать: радиоактивные “часы” отмеряют время от веков до миллиардов лет. У каждых есть погрешность, обычно не превышающая 1 %. Таким образом, если вы измеряете возраст горной породы в миллиардах лет, то должны принимать в расчет погрешность в десятки миллионов лет. Если определяете возраст породы, которой сотни миллионов лет, погрешность не будет превышать миллиона лет. Если породе десятки миллионов лет, делайте поправку на сотни тысяч лет.
Чтобы понять, как работают радиоактивные “часы”, необходимо прежде узнать, что такое радиоактивный изотоп. Материя состоит из химических элементов, как правило, химически связанных с другими элементами. Всего существует около ста элементов (чуть больше, если прибавить элементы, которые существуют только в лабораторных условиях, и чуть меньше, если сосчитать только элементы, встречающиеся в природе): углерод, железо, азот, алюминий, магний, фтор, аргон, хлор, натрий, уран, свинец, кислород, калий, олово и так далее. Атомная теория строения вещества, с которой, думаю, согласны даже креационисты, утверждает, что каждому элементу соответствует собственный атом, являющийся самой маленькой частицей, на которую возможно разделить элемент без утраты им своих свойств. Как выглядит атом свинца, меди или углерода? Безусловно, не как медь, свинец или уголь. Он вообще никак не выглядит, поскольку слишком мал для того, чтобы броситься вам в глаза, каким бы мощным микроскопом вы ни пользовались. Поэтому мы прибегаем к аналогиям или моделям. Самая известная была предложена великим датским физиком Нильсом Бором. Модель Бора, сегодня уже устаревшая, похожа на Солнечную систему. Вместо Солнца – ядро, вокруг которого обращаются электроны, играющие роль планет. Как и в Солнечной системе, практически вся масса атома содержится в ядре (“Солнце”), а практически весь объем занят пространством между электронами (“планетами”). Каждый из электронов в сравнении с размером ядра пренебрежимо мал, а расстояние от него до ядра намного больше размеров самого ядра. Известная аналогия – ядро атома, как муха в центре футбольного стадиона. Тогда ядро соседнего атома будет мухой в центре соседнего стадиона. Электроны кружат по орбитам вокруг мух, они меньше самых мелких мошек, слишком маленькие для того, чтобы увидеть их в одном масштабе с мухами. Когда мы берем в руки кусок металла или камня, мы на самом деле смотрим на предмет, состоящий в основном из пустоты. Мы ощущаем его как плотное и непрозрачное тело потому, что наши органы чувств и мозг находят удобным воспринимать этот объект как твердый и непрозрачный. Наш мозг находит это удобным потому, что мы не можем пройти сквозь камень. “Твердый” – это характеристика, которую мы присваиваем веществам и материалам, через которые не можем пройти или в которые не можем провалиться из-за электромагнитных взаимодействий между их атомами. “Непрозрачный” – воспринимаемая нами картина света, отражающегося от поверхности объекта и не проходящего сквозь него.
Согласно модели Бора, в состав атома входят три вида частиц. С электронами мы уже знакомы. Две другие частицы, существенно превосходящие по размеру электрон, но по-прежнему настолько малые, что мы не можем увидеть их, называются протон и нейтрон. Они почти одинакового размера. Число протонов в атоме любого химического элемента постоянно и равно числу электронов. Оно называется атомным числом и является уникальным свойством химического элемента. Нет никаких промежутков в последовательности атомных чисел в знаменитой периодической таблице элементов[26]. Каждый номер в ряду соответствует одному и только одному химическому элементу. Элемент с атомным числом 1 – водород, 2 – гелий, 3 – литий, 4 – бериллий, 5 – бор, 6 – углерод, 7 – азот, 8 – кислород, и так далее.
Протоны и электроны несут электрические заряды противоположных знаков – мы называем их положительными и отрицательными. Эти заряды становятся важными, когда элементы составляют химические соединения. Основными проводниками взаимодействий являются электроны. Нейтроны в атомах связаны в ядре с протонами. В отличие от протонов, они не имеют заряда и не участвуют в химических реакциях.
Протоны, нейтроны и электроны любого химического элемента ничем не отличаются от таких же частиц, составляющих атомы других элементов. Никаких “золотых” протонов, “медных” электронов и “калиевых” нейтронов не существует. Атом меди делает атомом меди только наличие 29 протонов и электронов. Все, что мы привыкли считать свойствами меди, – вопрос химии. Химия – нескончаемый танец электронов. Все химические реакции – взаимодействие атомов при помощи электронов. Химические связи сравнительно легко образуются и распадаются, поскольку обмениваются или отделяются только электроны. Силы взаимного притяжения, образующие ядро атома, преодолеть существенно сложнее. Вот почему термин деление атома имеет зловещую окраску. Однако оно возможно, и в результате начинаются ядерные реакции – в противоположность химическим. На этом и основана работа радиоактивных “часов”.
Масса электрона пренебрежимо мала, поэтому общая масса атома – его массовое число – равна суммарному числу протонов и нейтронов в ядре. Как правило, массовое число чуть более чем вдвое превосходит порядковый номер элемента, поскольку нейтронов обычно чуть больше, чем протонов. В отличие от числа протонов, число нейтронов не определяет, к какому элементу относится атом. Атомы любого элемента могут существовать в различных вариантах, именуемых изотопами, у которых одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. У некоторых элементов, например фтора, имеется только один природный изотоп. Фтор – элемент с порядковым номером 9 и массовым числом 19. Отсюда следует, что ядро атома фтора состоит из девяти протонов и десяти нейтронов. Другие элементы, однако, имеют множество изотопов. У свинца пять широко распространенных изотопов. Все они имеют одно и то же число протонов и электронов (82 – атомное число свинца) и массовое число (от 202 до 208). Углерод имеет три природных изотопа. Углерод-12 – самый распространенный, он имеет по шесть протонов и нейтронов. Реже встречается углерод-13. Углерод-14 тоже редок, но его все же достаточно для использования в датировании образцов органического происхождения.
Одни изотопы стабильны, другие – нет. Свинец-202 нестабилен. Стабильными являются: свинец-204, свинец-206, свинец-207 и свинец-208. Нестабильность означает, что атомы данного изотопа спонтанно распадаются с образованием других атомов. Распадаются они с известной скоростью, но момент начала распада непредсказуем. Именно предсказуемость скорости распада служит основой радиоактивных “часов”. Нестабильные изотопы иначе называют радиоактивными. Существует несколько видов радиоактивного распада, каждый из которых имеет ценность в качестве “часов”. Нам не требуется понимание этих механизмов, но я постараюсь объяснить их, чтобы показать замечательный уровень детализации, которого физики достигли в ходе изучения этого вопроса. Этот уровень детализации придает комический оттенок попыткам креационистов доказать ненадежность радиометрического метода датирования и сохранить Землю вечно молодой, как Питер Пэн.
Все механизмы радиоактивности зависят от поведения нейтронов. Первый тип представляет собой превращение нейтрона в протон. Это означает, что массовое число не изменяется (поскольку масса протонов и нейтронов, как мы помним, одинакова), а атомное число увеличивается на единицу. Таким образом, атом превращается в другой элемент, на один дальше в периодической таблице. Например, атом натрия-24 становится атомом магния-24. В другом механизме протон превращается в нейтрон. Массовое число не изменяется, а атомное уменьшается на единицу, и в периодической таблице атом перемещается на клетку назад. Третий механизм, когда свободный нейтрон ударяет в ядро атома, выбивает один протон и занимает его место, приводит к такому же результату. Массовое число не изменяется, атомный номер уменьшается на единицу.
Более сложный тип распада связан с испусканием ядром альфа-частицы, состоящей из двух протонов и двух нейтронов. При альфа-распаде, таким образом, массовое число уменьшается на четыре, а атомное – на два. Атом переходит в химический элемент, находящийся на две позиции позади в периодической таблице. Примером такого распада может служить превращение радиоактивного изотопа уран-238 (92 протона, 146 нейтронов) в торий-234 (90 протонов, 144 нейтрона).
Подходим к сути. Все нестабильные изотопы распадаются с постоянной, хорошо известной скоростью. Более того, скорость распада некоторых изотопов существенно меньше, чем у других. Распад во всех случаях описывается экспонентой. Это значит, что если в начале эксперимента есть 100 г радиоактивного изотопа, то за единицу времени в другой химический элемент будет превращаться не фиксированное количество изотопа (скажем, 10 г), а строго определенная доля оставшегося количества. Здесь следует сказать о так называемом периоде полураспада – времени, за которое распадается половина атомов радиоактивного изотопа. Период полураспада не изменяется в зависимости от того, сколько атомов распалось прежде – это и означает, что процесс идет экспоненциально. Естественно, что при таком последовательном “ополовинивании” мы никогда не узнаем наверняка, что атомов начального элемента не осталось. Тем не менее, мы можем сказать, что спустя некоторое достаточно долгое время – например, десять периодов полураспада – останется так мало атомов исходного элемента, что в практических целях этим количеством можно пренебречь. Например, период полураспада углерода-14 составляет 5730±40 лет. Следовательно, для ископаемых образцов старше 50–60 тысяч лет радиоуглеродное датирование не подходит, и необходимо пользоваться более медленными “часами”.
Чтобы понять, как работают радиоактивные “часы”, необходимо прежде узнать, что такое радиоактивный изотоп. Материя состоит из химических элементов, как правило, химически связанных с другими элементами. Всего существует около ста элементов (чуть больше, если прибавить элементы, которые существуют только в лабораторных условиях, и чуть меньше, если сосчитать только элементы, встречающиеся в природе): углерод, железо, азот, алюминий, магний, фтор, аргон, хлор, натрий, уран, свинец, кислород, калий, олово и так далее. Атомная теория строения вещества, с которой, думаю, согласны даже креационисты, утверждает, что каждому элементу соответствует собственный атом, являющийся самой маленькой частицей, на которую возможно разделить элемент без утраты им своих свойств. Как выглядит атом свинца, меди или углерода? Безусловно, не как медь, свинец или уголь. Он вообще никак не выглядит, поскольку слишком мал для того, чтобы броситься вам в глаза, каким бы мощным микроскопом вы ни пользовались. Поэтому мы прибегаем к аналогиям или моделям. Самая известная была предложена великим датским физиком Нильсом Бором. Модель Бора, сегодня уже устаревшая, похожа на Солнечную систему. Вместо Солнца – ядро, вокруг которого обращаются электроны, играющие роль планет. Как и в Солнечной системе, практически вся масса атома содержится в ядре (“Солнце”), а практически весь объем занят пространством между электронами (“планетами”). Каждый из электронов в сравнении с размером ядра пренебрежимо мал, а расстояние от него до ядра намного больше размеров самого ядра. Известная аналогия – ядро атома, как муха в центре футбольного стадиона. Тогда ядро соседнего атома будет мухой в центре соседнего стадиона. Электроны кружат по орбитам вокруг мух, они меньше самых мелких мошек, слишком маленькие для того, чтобы увидеть их в одном масштабе с мухами. Когда мы берем в руки кусок металла или камня, мы на самом деле смотрим на предмет, состоящий в основном из пустоты. Мы ощущаем его как плотное и непрозрачное тело потому, что наши органы чувств и мозг находят удобным воспринимать этот объект как твердый и непрозрачный. Наш мозг находит это удобным потому, что мы не можем пройти сквозь камень. “Твердый” – это характеристика, которую мы присваиваем веществам и материалам, через которые не можем пройти или в которые не можем провалиться из-за электромагнитных взаимодействий между их атомами. “Непрозрачный” – воспринимаемая нами картина света, отражающегося от поверхности объекта и не проходящего сквозь него.
Согласно модели Бора, в состав атома входят три вида частиц. С электронами мы уже знакомы. Две другие частицы, существенно превосходящие по размеру электрон, но по-прежнему настолько малые, что мы не можем увидеть их, называются протон и нейтрон. Они почти одинакового размера. Число протонов в атоме любого химического элемента постоянно и равно числу электронов. Оно называется атомным числом и является уникальным свойством химического элемента. Нет никаких промежутков в последовательности атомных чисел в знаменитой периодической таблице элементов[26]. Каждый номер в ряду соответствует одному и только одному химическому элементу. Элемент с атомным числом 1 – водород, 2 – гелий, 3 – литий, 4 – бериллий, 5 – бор, 6 – углерод, 7 – азот, 8 – кислород, и так далее.
Протоны и электроны несут электрические заряды противоположных знаков – мы называем их положительными и отрицательными. Эти заряды становятся важными, когда элементы составляют химические соединения. Основными проводниками взаимодействий являются электроны. Нейтроны в атомах связаны в ядре с протонами. В отличие от протонов, они не имеют заряда и не участвуют в химических реакциях.
Протоны, нейтроны и электроны любого химического элемента ничем не отличаются от таких же частиц, составляющих атомы других элементов. Никаких “золотых” протонов, “медных” электронов и “калиевых” нейтронов не существует. Атом меди делает атомом меди только наличие 29 протонов и электронов. Все, что мы привыкли считать свойствами меди, – вопрос химии. Химия – нескончаемый танец электронов. Все химические реакции – взаимодействие атомов при помощи электронов. Химические связи сравнительно легко образуются и распадаются, поскольку обмениваются или отделяются только электроны. Силы взаимного притяжения, образующие ядро атома, преодолеть существенно сложнее. Вот почему термин деление атома имеет зловещую окраску. Однако оно возможно, и в результате начинаются ядерные реакции – в противоположность химическим. На этом и основана работа радиоактивных “часов”.
Масса электрона пренебрежимо мала, поэтому общая масса атома – его массовое число – равна суммарному числу протонов и нейтронов в ядре. Как правило, массовое число чуть более чем вдвое превосходит порядковый номер элемента, поскольку нейтронов обычно чуть больше, чем протонов. В отличие от числа протонов, число нейтронов не определяет, к какому элементу относится атом. Атомы любого элемента могут существовать в различных вариантах, именуемых изотопами, у которых одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. У некоторых элементов, например фтора, имеется только один природный изотоп. Фтор – элемент с порядковым номером 9 и массовым числом 19. Отсюда следует, что ядро атома фтора состоит из девяти протонов и десяти нейтронов. Другие элементы, однако, имеют множество изотопов. У свинца пять широко распространенных изотопов. Все они имеют одно и то же число протонов и электронов (82 – атомное число свинца) и массовое число (от 202 до 208). Углерод имеет три природных изотопа. Углерод-12 – самый распространенный, он имеет по шесть протонов и нейтронов. Реже встречается углерод-13. Углерод-14 тоже редок, но его все же достаточно для использования в датировании образцов органического происхождения.
Одни изотопы стабильны, другие – нет. Свинец-202 нестабилен. Стабильными являются: свинец-204, свинец-206, свинец-207 и свинец-208. Нестабильность означает, что атомы данного изотопа спонтанно распадаются с образованием других атомов. Распадаются они с известной скоростью, но момент начала распада непредсказуем. Именно предсказуемость скорости распада служит основой радиоактивных “часов”. Нестабильные изотопы иначе называют радиоактивными. Существует несколько видов радиоактивного распада, каждый из которых имеет ценность в качестве “часов”. Нам не требуется понимание этих механизмов, но я постараюсь объяснить их, чтобы показать замечательный уровень детализации, которого физики достигли в ходе изучения этого вопроса. Этот уровень детализации придает комический оттенок попыткам креационистов доказать ненадежность радиометрического метода датирования и сохранить Землю вечно молодой, как Питер Пэн.
Все механизмы радиоактивности зависят от поведения нейтронов. Первый тип представляет собой превращение нейтрона в протон. Это означает, что массовое число не изменяется (поскольку масса протонов и нейтронов, как мы помним, одинакова), а атомное число увеличивается на единицу. Таким образом, атом превращается в другой элемент, на один дальше в периодической таблице. Например, атом натрия-24 становится атомом магния-24. В другом механизме протон превращается в нейтрон. Массовое число не изменяется, а атомное уменьшается на единицу, и в периодической таблице атом перемещается на клетку назад. Третий механизм, когда свободный нейтрон ударяет в ядро атома, выбивает один протон и занимает его место, приводит к такому же результату. Массовое число не изменяется, атомный номер уменьшается на единицу.
Более сложный тип распада связан с испусканием ядром альфа-частицы, состоящей из двух протонов и двух нейтронов. При альфа-распаде, таким образом, массовое число уменьшается на четыре, а атомное – на два. Атом переходит в химический элемент, находящийся на две позиции позади в периодической таблице. Примером такого распада может служить превращение радиоактивного изотопа уран-238 (92 протона, 146 нейтронов) в торий-234 (90 протонов, 144 нейтрона).
Подходим к сути. Все нестабильные изотопы распадаются с постоянной, хорошо известной скоростью. Более того, скорость распада некоторых изотопов существенно меньше, чем у других. Распад во всех случаях описывается экспонентой. Это значит, что если в начале эксперимента есть 100 г радиоактивного изотопа, то за единицу времени в другой химический элемент будет превращаться не фиксированное количество изотопа (скажем, 10 г), а строго определенная доля оставшегося количества. Здесь следует сказать о так называемом периоде полураспада – времени, за которое распадается половина атомов радиоактивного изотопа. Период полураспада не изменяется в зависимости от того, сколько атомов распалось прежде – это и означает, что процесс идет экспоненциально. Естественно, что при таком последовательном “ополовинивании” мы никогда не узнаем наверняка, что атомов начального элемента не осталось. Тем не менее, мы можем сказать, что спустя некоторое достаточно долгое время – например, десять периодов полураспада – останется так мало атомов исходного элемента, что в практических целях этим количеством можно пренебречь. Например, период полураспада углерода-14 составляет 5730±40 лет. Следовательно, для ископаемых образцов старше 50–60 тысяч лет радиоуглеродное датирование не подходит, и необходимо пользоваться более медленными “часами”.