Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

В химическом плане на этих этапах происходит следующее:
1. Нагревание известняка удаляет углекислый газ (CO2), превращая CaCO3 в CaO (негашеную известь).
2. Последующее присоединение H2O к CaO приводит к появлению CaO2H2.
Рис. 9.1. Этапы приготовления и затвердевания раствора. Известняк нагревают до температуры более 900 °C, чтобы удалить CO2 и получить негашеную известь. При смешивании негашеной извести с водой и песком формируется раствор. По мере высыхания раствора H2O испаряется, и ей на смену приходит CO2 из воздуха, превращая смесь в известняк
3. Раствор затвердевает, выделяя воду (H2O) в атмосферу (сохнет), и поглощает CO2 из воздуха, снова превращаясь в CaCO3 (см. рис. 9.1).
Последний этап – ключ к углеродному датированию: строительный раствор «вдыхает» CO2, как и растения. За считаные дни или недели он завершает этот процесс и фактически «умирает» (перестает дышать). Все, что нужно сделать, чтобы определить время нанесения раствора, – это подсчитать атомы 14C и 12C и определить их соотношение, как при обычном углеродном датировании.
Потенциал этого метода датирования был признан в 1960-х годах, но первые попытки его применения оказались в основном безуспешными – прежде всего из-за примесей, ставших частью раствора и способных резко исказить результаты. Например, несгоревшие кусочки известняка, оставшиеся в растворе, имеют нулевое соотношение 14C/12C. Поскольку за миллионы лет, в течение которых формировался известняк, весь изотоп 14C распался, такой материал указывал на невероятную древность – примеси значительно снижали соотношение 14C/12C. Более того, в песке или другом крупнозернистом песчанике, которые добавляли в раствор перед его применением, могли содержаться частицы известняка или другого углеродосодержащего материала – и из-за этого в расчет соотношения тоже вкрадывалась ошибка1.
 Аландские церкви 
В 1980-х годах археолог Кеннет Густавссон и физик Хогне Юнгнер решили определить возраст каменных церквей и францисканского монастыря на Аландских островах, архипелаге у берегов Финляндии. Никаких письменных упоминаний об их строительстве не существовало, хотя высказывались предположения о том, что их построили примерно в 1450 году нашей эры. Радиоуглеродная лаборатория Хельсинкского университета датировала образцы строительного раствора, собранные на острове Кёкар, и установила удивительную дату – 1280 год нашей эры. Последующие раскопки вокруг церкви обнаружили украшения, примерно соответствующие этому более раннему периоду.
Поразительные заявления требуют необычайно убедительных доказательств, а если учесть упомянутые выше проблемы с датировкой строительного раствора, то утверждение, согласно которому возраст объектов на 170 лет отличался от общепринятых археологических представлений, требовало независимой оценки. Дополнительные свидетельства о более ранней дате строительства предоставил еще один метод, основанный на тех же космических лучах, под влиянием которых образуется изотоп 14C: термолюминесценция. Суть термина заключена в его названии: свет («люмен»), рожденный от тепла («термо»). Когда формируется кристаллическое вещество – будь то природный или рукотворный кристалл, такой как керамика, – его номинально идеальная структура неизбежно содержит дефекты: атомы или молекулы, расположенные не совсем в нужном месте, и/или примеси, нарушающие правильную кристаллическую структуру. Эти дефекты способны создавать небольшие электронные ловушки, в которых могут застревать свободные электроны, блуждающие по веществу.
 
Обычно электроны связаны со своими атомами. Но космические лучи, проникая в вещество, могут ионизировать множество атомов и позволить нескольким освободившимся электронам просочиться в материал. Кроме того, такой же эффект оказывают естественные радиоактивные изотопы, которые содержатся в материале и распадаются за счет высвобождения высокоскоростных электронов. Поэтому с течением времени и увеличением продолжительности воздействия все больше электронов оказывается в ловушках. Если добавить достаточно энергии и освободить их, они смогут снова сочетаться с атомами, у которых отсутствуют электроны, и излучать свет.
Чтобы определить возраст объекта (в данном случае керамической черепицы из францисканского монастыря), мы просто нагреваем материал до высокой температуры (приблизительно 500 °C) и заставляем атомы вибрировать достаточно сильно, чтобы высвободить электроны из ловушек, а затем фиксируем количество света, излучаемого электронами при их воссоединении с атомами. Интенсивность света пропорциональна общему воздействию радиации, которое, в свою очередь, прямо пропорционально возрасту объекта.
Поскольку количество центров захвата и глубина ловушек уникальны для каждого вещества, необходимо откалибровать образец, подвергая его воздействию известного количества радиации в течение известного интервала времени, а затем повторить эксперимент по термолюминесценции. Когда этот метод применили к черепице на острове Кёкар, оказалось, что ее произвели в XIII веке, что соответствовало дате изготовления раствора, рассчитанной при помощи радиоуглеродного датирования и определенной как 1280 год.
Благодаря этому успеху был запущен более масштабный проект, на сегодняшний день охвативший все восемь крупных церквей Аландских островов. В одной из них, в Йомале, по древесным кольцам удалось установить, что деревья для колокольни срубили в 1281 году нашей эры, а строительный раствор на стенах церкви укладывали в 1279–1290 годах – это замечательное совпадение однозначно определило дату строительства. Более того, похоже, что все восемь церквей были построены за два десятилетия, в период с 1280 по 1300 год. Историки предполагают, что на островах, расположенных на полпути между современным Стокгольмом в Швеции и Турку в Финляндии (в 130 километрах от каждого), наблюдался всплеск экономической активности, и в то время из этих мест поставляли древесину и известковый раствор для строительства двух упомянутых городов.
Чтобы получить такие точные данные, потребовалось усовершенствовать технологию обращения с раствором. Необходимо было обеспечить более тонкое просеивание для удаления примесей; провести бомбардировку образца электронами и по характерным длинам волн испускаемого света выявить любой посторонний материал, а также тщательно отобрать пробы самых внешних слоев высохшего раствора, где загрязнение, как правило, оказывалось наиболее низким. Высокая достоверность полученных дат позволила междисциплинарной команде, в состав которой вошли Дж. Хейл (археолог), Дж. Хайнемайер (физик), Л. Ланкастер (археолог), А. Линдроос (геолог) и А. Рингбом (историк искусства), составить подробную историю аландских церквей, а также различных пристроек и элементов, которые добавились в ходе реконструкций, проведенных за их 750-летнюю историю.
Кроме того, при помощи коллег эта команда смогла развенчать миф о том, что каменную башню в Ньюпорте, штат Род-Айленд, построили викинги в XI столетии (на самом деле это был фундамент ветряной мельницы, возведенной в 1680 году), а также определила возраст римского амфитеатра в испанской Мериде (он был построен спустя век после того, как на его стене появилась надпись, сделанная в 8 г. до н. э., и, таким образом, не предшествовал римскому Колизею, а возник после него). Еще ученые воссоздали историю виллы, расположенной в современной Португалии, в Торре-де-Пальма, в 70 км к западу от Мериды. Часовня и алтарь появились в ней примерно в 340 году нашей эры, когда Римской империей правил Константин II, сын императора, принявшего христианство. Но в 580 году, много лет спустя после падения империи, когда у власти находились вестготы, постройка значительно расширилась – очевидно, большая часть технологий, созданных римлянами, сохранялась еще долго после того, как их империя перестала существовать.