Єгипетські фараони і ядерна фізика

0
4

Тиждень тому в Science вийшла стаття про уточнення часу правління єгипетських фараонів з допомогою радіовуглецевого аналізу. Повідомлення про цю роботу з’явилися в деяких ЗМІ (наприклад, на Газеті.ру, на Інфокс.ру, трохи детальніше з історичного боку — на Стрічці.ру). На мій погляд, всі ці новини досить прісні — після їх читання виникає почуття «ну, перевірили, уточнили, молодці». А насправді, якщо почитати оригінальну статтю, там спливають цікаві речі, що стосуються «нудною» методології. Мені взагалі здається, що ця конкретна робота може послужити чудовою ілюстрацією того, як сильно різні розділи наук спираються один на одного.

Ось деякі моменти.

Насамперед, сама по собі радіовуглецеве датування — річ нетривіальна. Зараз, звичайно, про неї знає кожен, хто цікавиться наукою, ну і пояснити її нескладно навіть школяреві. Але от тільки ці пояснення описують картину «задом-наперед»: пояснюється, чому в старих органічних зразках мало вуглецю-14 і як це пов’язано з часом, а потім додається, що вуглець-14 потрапляє в біосферу з атмосфери, де він постійно утворюється через космічних променів.

60 років тому, коли Віллард Ліббі додумався до цього методу, і космічні промені, і радіоактивний ізотоп вуглецю були порівняно недавно відкритими явищами. Кількісних результатів було мало, потрібна була прозорливість, щоб майже з нуля здогадатися, що космічні промені можуть «накачувати» біосферу радиоуглеродом. Ланцюжок такий: протони з космічних променів в стратосфері вибивають з ядер нейтрони, нейтрони стикаються з ядрами азоту і породжують ядра 14C, вуглець окислюється до СО2, і поступово за рахунок конвекції спускається в тропосферу, де і поглинається рослинами при фотосинтезі (і далі вгору по харчових ланцюжках) або дифундує в океан. Причому найголовніше — треба було довести, що цей ланцюжок не просто в принципі існує, а що вона ефективна, що вона реально працює і дає якусь помітну частку радиоуглерода в живих організмах.

Є цікаві розповіді про те, як радіовуглецевий метод розвивався в перші роки після відкриття. Ось наприклад спогади E. H. Willis, який якраз був аспірантом в створеній на початку 50-х років Лабораторії радіовуглецевого датування в Кембриджі, і цікава полуисторическая стаття The Remarkable Metrological History of Radiocarbon Dating. Цікаво було прочитати таку історію. Взагалі, ідея про те, що в живих організмах є постійна радіоактивність від вуглецю-14, якийсь час залишалася непідтвердженою. Перші спроби перевірити це експериментально з допомогою газових пропорційних лічильників нічого не давали із-за дуже великого фону від тих же самих космічних променів. Грубо кажучи, камера давала 1000 «клацань» в хвилину за рахунок космічного фону, в той час як радіовуглецевий сигнал очікувався на рівні декількох відліків в хвилину.

Ліббі намагався заекранувати камеру зі зразком, як міг, але все одно очікуваний сигнал тонув у тлі від космічних променів. А все із-за того, що мюоны проникають на сотні метрів в товщу речовини (фізика елементарних частинок в дії!). Ліббі тоді усвідомив, що саме від космічних променів не сховаєшся, то можна камеру обліпити лічильниками зовні — і ігнорувати ті спрацьовування внутрішнього лічильника, які відбуваються одночасно з зовнішніми (тобто звертати увагу тільки на ті внутрішні спрацьовування, для яких немає збігається за часом зовнішнього спрацьовування). Так Ліббі здогадався до пристрою, який зараз називається «тригер антисовпадениям» і рутинно використовується на детектори елементарних частинок (в тому числі і на Великому адронному колайдері).

Втім, зараз є набагато більш точний метод визначення частки вуглецю-14 — ускорительный мас-спектрометричний аналіз (і саме він використовувався у статті в Science). Іони вуглецю, попередньо розігнані в лінійному прискорювачі, пролітають крізь область магнітного поля і відхиляються на кут, що залежить від відношення заряду до маси. Тобто, 12C потрапляє в одне місце, 14C — в інше. Завдяки тому, що тут вважають самі ядра, а не їх розпади (які дуже рідкісні), чутливість зростає на порядки порівняно із звичайною методикою. В результаті достатньо 1 міліграма речовини для визначення віку. Подробиці див. в популярній статті Мас-спектрометричний метод датування радіовуглецевим з використанням прискорювача з журналу «У світі науки» за 1986 рік.

Сама по собі ця ідея, звичайно, виглядає тривіальною, але знову ж таки, тут найскладнішим було довести, що методика працює не «в принципі», а реально. А для цього треба було подолати проблеми, найголовніша з яких — слабкий сигнал від 14C начисто забивається іонами азоту-14, несучими на один електрон більше, ніж вуглець. У 1977 році придумали, як з цим впоратись — через проміжну стадію створення негативно заряджених іонів, які азот чомусь не утворює — і тоді-то навчилися «бачити» сигнал від 14C і таким способом.

Гаразд, читаємо далі статтю про фараонів. Всі ЗМІ відзначили, що для аналізу були взяті 211 зразків насіння, текстилю, фрагменти плетених кошиків та інших зразків з трав. Але чому саме трави, а не дерево? Тут, виявляється, треба знати деякі звички стародавніх єгиптян. Дерево в Єгипті було досить дефіцитно, і тому нерідко об’єкти вирізалися не зі свіжозрубаного дерева, а з якогось більш старого предмета. Тобто якщо предмет знайдено в похованні якогось фараона, то немає гарантій, що ця деревина «жила» саме в той час. Чому не використовувалися самі мумії? Тому що значна частка дієти єгиптян, а також речовин для муміфікації мали морське або річкове походження, тобто вони привносили в організм старий вуглець. Так що самим безпечним вибором з цієї точки зору є саме трави.

Втім, і тут є цікавий підводний камінь. Відомо, що радіовуглецевий вік зразків не збігається у реальним віком з-за того, що природний рівень 14C в атмосфері не залишався постійним. Він змінюється з часом, і на нього впливає, серед іншого, і сонячна активність (тобто аналіз втручається сонячна фізика і ще раз фізика атмосфери). Тому для зразка спочатку обчислюється «радіовуглецевий вік» в припущенні про постійність концентрації, а потім перераховується в абсолютний вік калібрувальної кривої. А калібрувальна крива будується (на масштабі тисячі років), в основному, по річним кільцям, тобто використовує деревину.

І тут виникає ще купа тонкощів, одна з яких належить виключно до ботаніки: сезони основного росту трав і росту дерев не ідентичні. Але концентрація 14C не залишається постійною круглий рік, а має внутрисезонные коливання в кілька тисячних часток. Виходить, що ростуть в один і той же рік трави «записують» у собі злегка іншу концентрацію радиоуглерода, ніж дерева. Якщо цим нехтувати, то порівняння радіовуглецевого віку трав зі стандартною калібрувальної шкалою буде давати систематично зміщену абсолютну датування для трав.

Як подолати цю проблему? Для цього автори роботи взяли 66 ботанічних зразків, які були зібрані в Єгипті в 18-19 століттях і для яких точно відомий рік збору. Їх теж «прогнали через прискорювач», порівняли з кривою і отримали вік, приблизно на 20 років старше, ніж він є насправді. Це і є той сезонний зрушення, на який треба відкоригувати датування давньоєгипетських зразків (в припущенні, звичайно, що він був приблизно тим же і кілька тисяч років тому).

Загалом, виходить, що абсолютна датування часу правління фараонів з точністю в кілька десятків років використовує наступні розділи природничих наук: ядерну фізику, астрофізику (косм. промені і сонячна фізика), фізику прискорювачів (і трошки — фізику елементарних частинок), фізику і хімію атмосфери, ботаніку і екологію (калібрувальна крива, харчові ланцюжки, сезони зростання), хімію (очищення зразків від пізніх забруднень, про це я не говорив взагалі). Може бути, ще що-то розкриється, якщо покопатися в детальному описі методик. По-моєму, шикарна колекція.

До речі, мене здивувала ще така річ: виявляється, реальний період напіврозпаду 14C досі відомий досить погано (на мій погляд, звичайно): з точністю близько 1%. Більш того, судячи по цій замітці, саме останнє вимірювання було вироблено аж в 1968 році, і ніхто з тих пір не спромігся його уточнити. Мабуть, причина в тому, що це число само по собі не так важливо для датування. Традиційно прийнято обчислювати радіовуглецевий вік не по реальному періоду напіврозпаду (5660 +/- 40 років), а по періоду, який використовував Ліббі — 5568 років. Калібрувальна крива як раз переводить отриманий таким чином «радиовозраст» абсолютний вік. У результаті справжній період напіврозпаду виявляється взагалі не при чому, і можна було б використовувати замість нього будь-яке інше значення. Головне, що це значення має бути тим же самим і при датуванні, і при побудові кривої. Отака «масштабна інваріантність».

І наостанок: велика добірка статей про датування артефактів, зокрема, про радиоуглеродную датування.

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here