Радиоактивность

Весной 1896 года французский физик Анри Беккерель открыл, что распад нестабильных атомных ядер сопровождается испусканием излучения и частиц. Это явление получило название радиоактивности. Семь лет спустя физики Пьер Кюри и Альбер Лаборд сообщили, что распад солей радия создает источник тепла, прежде не известный. Астроному-любителю Уильяму Э. Уилсону потребовалось всего четыре месяца с того момента, когда Кюри и Лаборд объявили о своем открытии, чтобы сделать наблюдение, что такое свойство радия «вероятно, содержит в себе подсказку, каков источник энергии Солнца и звезд». По оценке Уилсона, всего «3,6 грамма радия на кубический метр объема Солнца достаточно, чтобы обеспечить наблюдаемый выход тепла». Очень краткая заметка Уилсона в журнале «Nature» не привлекла особого внимания научной общественности, однако потенциальные следствия из того обстоятельства, что был открыт неожиданный источник энергии, не укрылись от внимания Джорджа Дарвина. Дарвин постоянно искал способы освободить геологию от смирительной рубашки геохронологии по Кельвину и в сентябре 1903 года с радостью объявил, что «Количество энергии, которую можно получить [из радиоактивных материалов], столь огромно, что теперь уже невозможно сказать, как давно существует солнечное тепло и надолго ли его хватит в будущем». Ирландский физик и геолог Джон Джоли отнесся к этому заявлению с большим энтузиазмом и тут же применил его к задаче оценки возраста Земли. В письме в «Nature», опубликованном 1 октября 1903 года, Джоли указал, что «источник тепла [радиоактивные минералы] в любом элементе материала [Земли]» может влиять на теплопередачу точно так же, как повышенная теплопроводность земных недр. Именно этого, как ранее показывал Перри, и недоставало, чтобы оценки возраста Земли существенно возросли. Иными словами, по сценарию Кельвина Земля исключительно теряла тепло из своих первоначальных запасов. Открытие нового источника внутреннего тепла, очевидно, подрывало самые основы подобной гипотезы.

Среди главных действующих лиц последовавших лихорадочных исследований в области радиоактивности был молодой физик Эрнест Резерфорд, уроженец Новой Зеландии, впоследствии прославившийся как «отец ядерной физики». В то время Резерфорд работал в Университете Макгилла в Монреале (позднее он перебрался в Великобританию), где на основе целого ряда экспериментов установил, что атомы всех радиоактивных элементов содержат колоссальное количество скрытой энергии, которую можно высвободить в виде тепла. Впоследствии Резерфорд, а также – с еще большим восторгом – Фредерик Содди, который некоторое непродолжительное время был его сотрудником, объявили, что радиоактивность, в сущности, обесценивает все результаты Кельвина, связанные с возрастом как Земли, так и Солнца. Один журнал встретил сообщение Резерфорда, что Земля проживет гораздо дольше, чем оценивал Кельвин, броским заголовком «Страшный суд откладывается».

Кельвин, со своей стороны, живо интересовался открытиями, связанными с радием и радиоактивностью, однако так и не склонился к мысли, что это как-то повлияет на его оценки возраста Земли и Солнца. По крайней мере поначалу он отказывался признавать, что источник энергии радиоактивных элементов может лежать в них самих, и писал: «Осмелюсь предположить, что когда радий передает тепло массивному веществу, которое его окружает, энергию ему сообщают какие-то эфирные волны». Иными словами, Кельвин предположил, что атомы просто забирают энергию из эфира (в то время предполагалось, что он пронизывает все пространство), а при распаде высвобождают ее. Однако в 1904 году он все же набрался недюжинной интеллектуальной отваги и публично отказался от своей идеи на съезде Британской ассоциации, хотя так и не предал гласности свое отречение в печати. К сожалению, по какой-то неясной причине в 1906 году он снова утратил общий язык с остальными физиками: он был категорически не согласен, что при радиоактивном распаде один элемент превращается в другой, хотя и Резерфорд, и другие физики представили веские доказательства этого явления. Все это время Фредерик Содди, который успел создать себе репутацию в физическом сообществе Англии, то и дело терял терпение. На страницах «The Times» он затеял ожесточенную дискуссию с Кельвином и позволил себе оскорбительные намеки: «Жаль, если широкая публика ошибочно решит, будто мнение тех, кто лично не работал с радиоактивными телами [аллюзия на Кельвина], следует уважать наряду с теми, у кого есть подобный опыт». Еще до этой перепалки, в книге, вышедшей в свет в 1904 году, Содди заявил, ни много ни мало, что «пределы прошлого и будущего в истории Вселенной сильнейшим образом раздвинулись».

Резерфорд был несколько великодушнее. Много лет спустя он часто рассказывал об одном случае на лекции по радиоактивности, которую он читал в Королевском институте в 1904 году.

«Я вошел в полутемный зал и сразу заметил среди публики лорда Кельвина и понял, что с последней частью моего доклада, где пойдет речь о возрасте Земли, будут сложности, поскольку мои взгляды противоречили представлениям лорда Кельвина. К моему великому облегчению, он тут же заснул, но едва я дошел до важного места, как старый пройдоха вскинулся, открыл один глаз и смерил меня ядовитым взглядом! Тут на меня снизошло вдохновение, и я сказал, что лорд Кельвин ограничил возраст Земли при условии, что не будет обнаружено никаких новых источников энергии. Так вот, это провидческое заявление и относится к теме моего сегодняшнего доклада – к радию! Видели бы вы, как просиял старик.»

Впоследствии одним из самых надежных методов, позволяющих определить возраст минералов, скал и прочих геологических объектов, в том числе и самой Земли, стал метод радиоизотопного датирования. В целом метод основан на том, что радиоактивный элемент превращается в другой радиоактивный элемент со скоростью, определяемой периодом полураспада – то есть временем, за которое первоначальное количество вещества уменьшится вдвое. Элементы распадаются, пока не получится стабильный элемент. Если измерить и сравнить относительное количество радиоактивных изотопов в природе и сопоставить эти данные с известными периодами полураспадов, можно с высокой точностью определить возраст Земли, что и сделали геологи.

Одним из первопроходцев в этой области был Резерфорд, о чем свидетельствует и такая история. Однажды Резерфорд шел по университетскому городку с черным камешком в руке и встретил коллегу – канадского геолога Фрэнка Доусона Адамса.

– Адамс, – спросил он, – сколько бишь лет Земле?

Адамс ответил, что несколько методов подсчета дали примерно 100 миллионов лет.

Тогда Резерфорд заметил вполголоса:

– Я выяснил, что этому кусочку уранита 700 миллионов лет.

Кстати, ученые из Аргоннской Национальной лаборатории в Иллинойсе недавно нашли радиоизотопному датированию новое интересное применение. В 2011 году им удалось при помощи распада редкого изотопа криптон-81 проследить возраст Нубийского водоносного слоя, который раскинулся по всей Северной Африке. Ученые измерили, сколько этого изотопа в воде водоносного слоя (часть которого залегает на три километра в глубину под египетскими оазисами) распалось за время, прошедшее с тех пор, как эта вода в последний раз видела солнечный свет.

Большинство исторических отчетов о научной дискуссии по поводу возраста Земли наводят на мысль, что грубая ошибка, которую допустил Кельвин при оценке этой величины, была прямым следствием того, что он не признавал радиоактивность. Если бы дело было только в этом, я бы не включил ее в свою книгу, поскольку она не подпадала бы под категорию ляпсусов: ведь Кельвин, очевидно, не мог учесть при расчетах источник энергии, который еще не был открыт. Однако представление о том, что ошибка в определении возраста связана исключительно с радиоактивностью, ошибочно само по себе. Да, радиоактивный распад по всему объему земной мантии (на глубину почти 3000 км) действительно вырабатывал бы тепло со скоростью, примерно равной половине скорости теплообмена по всей планете. Однако не все это тепло было доступно по первому требованию.

Тщательное изучение проблемы показывает, что если опираться на те же предположения, что и Кельвин, то, согласись он включить в них и тепло от радиоактивного распада, ему пришлось бы учитывать только тепло, вырабатываемое во внешней коре Земли – на глубине до 100 км. Дело в том, что Кельвин показал: только тепло с такой глубины могло участвовать в теплопередаче к поверхности примерно за 100 миллионов лет. Геологи Филипп Ингленд, Питер Молнар и Фрэнк Рихтер в 2007 году показали, что если принять во внимание этот факт, то радиоактивное тепло не слишком повлияло бы на Кельвинову оценку возраста Земли. Серьезный ляпсус Кельвина заключался, очевидно, не в том, что он не подозревал о радиоактивности (хотя, конечно, игнорировать ее открытие ему не следовало), а в том, что он изначально пренебрег предположением, которое высказал Перри, и в дальнейшем возражал против него – я имею в виду гипотезу о конвекции в земной мантии. Вот почему он так грубо ошибся в своих оценках.

Как же так вышло, что человек такого колоссального ума, как Кельвин, столь упорно настаивал на своей правоте, даже когда стало очевидно, что он совершил колоссальную ошибку? Увы, Кельвин, как и все мы, должен был задействовать машинку, которую природа поместила между его ушей – свой мозг, – а ресурсы мозга не безграничны, даже если он принадлежит гению.