Нил Шубин - Вселенная внутри нас: что общего у камней, планет и людей

В работе над «Манхэттенским проектом» уникальным образом соединились усилия ученых нескольких стран. После Второй мировой войны правительство США столкнулось с проблемой из разряда тех, которые решать приятно. От Нью-Мексико до Нью-Йорка действовало несколько чрезвычайно сильных научных групп, не имевших общей инфраструктуры. Более того, теперь у них больше не было общей цели (вроде создания атомной бомбы), зато имелось много разных. Не желая упускать таланты и желая сохранить высочайший уровень развития физики в стране, американское правительство поддержало организацию нескольких новых лабораторий, включая лабораторию

в Чикагском университете. Там работала группа ученых под руководством Энрико Ферми, осуществивших первую управляемую цепную ядерную реакцию (сейчас на месте, где находился первый ядерный реактор, установлена скульптура Генри Мура «Ядерная энергия»). После войны правительство помогло университету организовать несколько институтов для изучения важнейших химических и физических проблем. Одна из таких проблем — история нашей планеты.

Уиллард Франк Либби и Гарольд Клейтон Юри — двое из тех, кто воспользовался переходом от военных исследований к мирной науке в Чикаго — разделяли одну страсть и одну веру. Они стремились к знаниям. А верили они в то, что ключ к разгадке истории планеты (и даже Солнечной системы) можно отыскать в строении отдельных атомов: в электронах, протонах и нейтронах.

Изучение структуры атома привело к созданию новых инструментов, позволяющих определять концентрацию частиц с точностью до нескольких частей на миллиард. При таком разрешении можно было попытаться получить новые ответы на старые вопросы.

Либби заплатил двум молодым ученым пять тысяч долларов и предложил им заняться изучением форм углерода. Подобно большинству атомов, углерод встречается в природе в виде нескольких разных изотопов. Все атомы углерода имеют в ядре одинаковое число протонов. Разница в том, сколько в ядре нейтронов. Либби догадался, что все живые существа должны иметь такую же долю атомов углерода-14, как и в атмосфере. Живые существа дышат, едят и пьют, захватывая при этом атомы углерода, и поэтому в их организмах должен соблюдаться такой же баланс изотопов углерода, как и в воздухе. Когда организм умирает, равновесие с атмосферой нарушается: новые атомы углерода больше не поступают в организм, а те, что остались, начинают превращаться в другие формы.

Как и в случае других атомов, эта реакция происходит с постоянной скоростью, определенной физико-химическими законами. Зная это, Либби предположил, что измерение содержания углерода-14 в древних костях позволит определить приблизительное время смерти животного. Это было серьезным прорывом: как будто в древних костях, зубах, раковинах или древесине были обнаружены идущие часы.

Гарольд Юри из соседней лаборатории считал, что атомы могут явиться ключом к пониманию истории планеты, Солнечной системы и всей Вселенной. Одним из главных объектов восхищения Юри был кислород. Этот крошечный атом, являющийся очень важным элементом воздуха, воды и костей, имеет несколько свойств, которые открывают окно в прошлое и в бесконечный мир вокруг нас.

Юри знал, что кислород, как и углерод, встречается в виде более тяжелых изотопов с большим содержанием нейтронов и в виде легких изотопов, в которых нейтронов меньше. Исключительно из теоретических соображений он предположил, что соотношение этих форм в любом веществе зависит от температуры. Идея эта родилась вовремя, поскольку уже существовали инструменты, позволявшие проверить ее экспериментальным путем.

И все получилось: соотношение тяжелых и легких изотопов кислорода в веществе действительно зависит от температуры. Для Юри и его группы этот успех означал, что путем измерения содержания разных форм кислорода в веществе (например, в воде или костях) можно определить температуру среды в процессе образования этого вещества. Проблема заключалась лишь в том, чтобы найти в геологической летописи правильные данные, с точностью указывающие на климатическое состояние Земли в разные эпохи. Только тогда инструменты, предложенные Либби, Юри и их коллегами, смогли бы свести причину со следствием.

Морские раковины прочны и очень долго сохраняются, поскольку в их составе имеется кристаллическое вещество карбонат кальция. Это соединение, столь важное для обеспечения твердости раковин, содержит кислород. Юри и другие ученые понимали, что раковины морских животных формируются из атомов и молекул, находящихся в морской воде во время жизни животного. Таким образом, относительное содержание различных форм кислорода в раковинах может отражать температуру воды в то время, когда жили их обитатели. Поскольку раковины очень хорошо сохраняются, они могут содержать подробную летопись событий далекого прошлого.

Воспользовавшись изотопами кислорода как термометром, а изотопами углерода в качестве хронометра, а также руководствуясь регулярным расположением геологических слоев, ученые принялись изучать климатические изменения во время ледниковых периодов.

Стотысячелетний цикл изменений формы земной орбиты: ледниковые периоды обычно наступают при эксцентрическом положении Земли.

Одна группа исследователей проследила за изменениями температуры по весьма представительному собранию раковин. Морское дно — идеальная среда: здесь слой за слоем оседают из толщи воды частицы вещества. Анализируя состав кислорода в раковинах внутри слоев, ученые смогли в общих чертах описать изменения климата. Оказалось, что температура на планете то повышалась, то понижалась: пики высоких температур чередовались с долинами низких. Но эти изменения не были хаотическими. Если внимательно изучить графики, можно обнаружить, что пики и провалы повторяются каждые сто тысяч лет. Именно это число прежде называл Милутин Миланкович. В результатах работ других групп также стало появляться число 100 000. Может быть, события на Земле и в самом деле зависят от космических процессов?

Проблема заключалась в запутанности данных. На графиках зависимости температуры от времени было множество пиков, а не только те, что повторялись с периодичностью сто тысяч лет. Тогда один английский и два американских ученых решили применить метод анализа, разработанный одним из советников Наполеона в Египте. Этот чиновник от скуки решил заняться изучением теплоты и законов ее передачи между различными материалами. Эта работа чрезвычайно помогла ученым спустя сто лет. Однако помог им не анализ свойств теплоты, а математический метод, разработанный наполеоновским чиновником. Если у вас есть некий очень сложный график, то, возможно, эта сложность является результатом наложения нескольких независимых колебательных процессов. Математический метод, известный теперь (по имени автора) как преобразование Фурье, позволяет разделить сложную зависимость на несколько регулярных и более простых.