Наука и удивительное (Как человек понимает природу) - Вайскопф Виктор (читать книги онлайн регистрации .txt) 📗
Итак, мы приходим к заключению, что материал, из которого состоит Земля, должен был подвергаться огромному ускорению и нагреванию (вероятно, во взрывающихся звездах) в период, закончившийся 5—10 миллиардов лет назад. Мы можем считать, что эти процессы обеспечили создание элементов, из которых состоит наше окружение [14]. К этому времени относится образование многих радиоактивных и нерадиоактивных элементов, в том числе тех, которые мы можем сделать в наших ускорителях, а также некоторых других. Но с тех пор радиоактивные вещества с короткими временами распада давно распались и превратились в устойчивые, стабильные, элементы. Немногие долгоживущие естественные радиоактивные вещества — это последние свидетели того богатого событиями времени, когда образовались элементы — те элементы, из которых состоит Земля. Это последние искры, оставшиеся после величественного космического пожара, который 10 миллиардов лет назад создал элементы, окружающие нас на Земле.
Давность событий в истории Земли
Более подробный анализ процесса распада естественных радиоактивных элементов позволяет нам определять давность событий, происходивших значительно позже образования элементов. В большинстве случаев минерал, содержащий естественный радиоактивный элемент, содержит и продукт его распада. Например, в горной породе, содержащей рубидий, находится также и стронций, элемент, в который превращается радиоактивный рубидий. Сравнивая относительные количества обоих элементов в образце, мы можем определить, сколько времени рубидий находился в этой породе, или, другими словами, найти время, прошедшее с момента ее затвердевания. Расчет весьма прост. Каждый год 1,6·10-11 часть рубидия превращается в стронций, и отсюда можно заключить, сколько лет понадобилось, чтобы получилось наблюденное количество стронция.
Здесь есть только одна трудность. Не обязательно весь стронций в природе был раньше рубидием. В нее мог попасть стронций с самого начала. Есть очень изящный способ преодоления этой трудности. Стронций, образовавшийся из рубидия, — это особый стронций, а именно Sr87. В обычном, природном стронции содержится только 12 % изотопа Sr87, основная его часть состоит из изотопа Sr88 [15]. Следовательно, нам нужно только измерить долю Sr88 в нашем образце. Если Sr88 отсутствует, то, значит, весь стронций образовался из рубидия. Если в нем содержится Sr88, то мы знаем, сколько обычного стронция находилось в образце, и можем определить, сколько Sr87 образовалось вследствие, радиоактивного распада.
Такие же измерения можно произвести с образцами горных пород, содержащими другие естественные радиоактивные элементы. Для этой цели широко использовалась радиоактивность калия и урана.
Естественные радиоактивные материалы являются не только свидетелями рождения Земли, их медленный, но мерно идущий распад позволяет измерять прошедшее время.
Измерение содержания продуктов радиоактивного распада, например стронция, образовавшегося из рубидия, позволило определять давность событий, которые попадают в неизученный период между миллионами лет (эрозия поверхности Земли) и многими миллиардами лет (образование элементов).
Когда бы ни произошло образование новых гор, когда бы ни начали накапливаться морские отложения, в радиоактивных элементах, содержащихся в таких веществах, начинают накапливаться продукты их распада, и, измеряя содержание накопившегося продукта, можно найти время наступления данного события. Это позволяет нам с разумной точностью определять давность геологических событий. Мы нашли, например, что Альпы и Гималаи весьма молоды, их возраст — всего лишь несколько миллионов лет (рис. 9).
Рис. 9. Вершина К2 в Гималаях (6470 м), которая считается второй по высоте в мире.
Скалистые горы в их настоящем виде старше, им около 60—100 миллионов лет. Возраст плоских хребтов Аппалачских гор приблизительно равен 250–300 миллионам лет, хотя действительная форма отдельных вершин на их поверхности неоднократно менялась с тех пор.
Возраст старейших горных пород, найденных до сих пор, достигает 2,6 миллиарда лет. Поэтому Земля никак не может быть моложе. По-видимому, она старше, но то, что теперь является поверхностью нашей планеты, изменилось так сильно, что теперь уже нельзя найти более древних пород. Различные слои горных и осадочных пород содержат окаменелые останки животных и растений. Таким образом, «расписание», или шкала времен, геологических формаций попутно дает и шкалу времен для развития жизни (рис. 10).
Рис. 10. Трилобит (Olenellus). Кембрийский период.
Мы нашли, что старейшие следы жизни насчитывают примерно 600 миллионов лет и принадлежат водорослям и губкам. Очевидно, что раньше должны были также существовать более примитивные формы жизни, но они не оставили никаких следов в горных породах. По оценкам, примитивные бактерии должны были жить не менее миллиарда лет назад. Находят рыб и моллюсков, существовавших 300 миллионов лет назад, пресмыкающиеся появились примерно 275 миллионов лет назад. Им должно было предшествовать появление деревьев и цветов, которые существуют уже около 400 миллионов лет. Млекопитающие развились только 150 миллионов лет назад, а человек существует едва лишь миллион лет. Так радиоактивные часы помогли нам датировать и развитие различных форм жизни.
Возраст Земли и планет
То и дело из внешнего пространства в атмосферу влетают куски вещества. Большинство этих объектов — они называются метеоритами, — попадая в атмосферу, испаряется вследствие сильного разогрева, наступающего при очень быстром их движении в воздухе. Но некоторые большие частицы достигают поверхности Земли (рис. 11).
Рис. 11. Метеоритный кратер в пустыне Аризона. Вероятно, этот метеорит упал несколько десятков тысяч лет назад. Диаметр кратера — около 1200 м, глубина 195 м. Кратер образовался при падении огромного метеорита, состоящего из железа и никеля.
Эти объекты, а также пути, по которым они пришли, подвергались внимательному изучению. Возможно, что метеориты не приходят очень издалека. Быть может, это раздробленные остатки одной или нескольких малых планет, разрушившихся когда-то, на заре образования нашей солнечной системы.
Возраст пород, составляющих метеориты, должен быть близок к возрасту самой солнечной системы; они возникли, вероятно, тогда же, когда из вещества «образовались» Солнце и планеты. Поэтому, определяя возраст обломков, мы, вероятно, узнаем и возраст нашей солнечной системы, или время образования планет. К счастью, метеориты иногда содержат следы радиоактивных веществ и продуктов их распада. Данные о количестве этих продуктов можно использовать для того, чтобы узнать, сколько времени радиоактивный элемент распадался в частице вещества в межпланетном пространстве. Полученные результаты хорошо согласуются друг с другом: все метеориты имеют, по-видимому, одинаковый возраст — около 4,5 миллиарда лет. Отсюда мы должны заключить, что столько же времени прошло с тех пор, как вещество «собралось» в Солнце и планеты нашей солнечной системы. Очень возможно, что столько же времени Земля и другие планеты существуют в виде больших шаров, обращающихся вокруг Солнца [16].
Возраст звезд
Можем ли мы определить возраст других звезд? Мы больше не можем применять радиоактивные часы, так как вещества, находящиеся вне солнечной системы, не достигают Земли. Наше единственное средство связи — свет. Однако, несмотря на отсутствие прямого контакта, астрономы пытались получить некоторую косвенную информацию о возрасте звезд. Иногда можно прийти к приближенным оценкам, тщательно исследуя цвет и яркость звезды и применяя наши новые представления о процессах, обеспечивающих создание запаса той огромной энергии, которая необходима для длительного поддержания свечения звезды [17]. Отсюда находят, что возраст большинства звезд также измеряется миллиардами лет. Возраст некоторых групп звезд, вероятно, достигает 20–30 миллиардов лет [18], другие, по-видимому, моложе. Точно так же, как год служит удобной единицей для измерения длительности жизни человека, миллиард лет удобен для измерения возраста звезд. Старейшие породы на Земле насчитывают 2,6 миллиарда лет; солнечная система образовалась 4,5 миллиарда лет назад; наши естественные радиоактивные вещества образовались в звездных взрывах 5—10 миллиардов лет назад, и возраст большинства звезд также лежит в этих пределах.
