ГЛАВА 4. Тишина и медленное время

ГЛАВА 4. Тишина и медленное время

Если отрицатели истории, которые сомневаются в факте эволюции, не знают биологии, то те, кто думает, что мир возник менее чем десять тысяч лет назад, хуже просто невежд, поскольку они введены в заблуждение до степени извращения. Они отрицают не только факты биологии, но также и факты физики, геологии, космологии, археологии, истории и химии. Эта глава о том, откуда мы знаем возраст горных пород и заключенных в них ископаемых. В ней представлены свидетельства того, что масштаб времени, в течение которого жизнь действовала на этой планете, измеряется не в тысячах лет, а в тысячах миллионов лет.

Помните, что ученые-эволюционисты находятся в положении сыщиков, запоздавших на место преступления. Чтобы точно определить, когда произошли события, мы зависим от следов, оставленных процессами, зависящими от времени — часов в широком смысле. Одним из первых, что сделает прибывший на место убийства сыщик, это попросит врача или патологоанатома определить примерное время наступления смерти. Многое зависит от этой информации, и в детективной беллетристике почти мистическое благоговение получает эта оценка патологоанатома. «Время смерти» является основным фактом, непогрешимым центром, вокруг которого вращаются более или менее натянутые предположения детектива. Но оценка, конечно, предрасположена к погрешности, погрешности которую можно измерить и которая может быть достаточно большой. Патологоанатом использует различные процессы с временной зависимостью, чтобы оценить время смерти: тело охлаждается с характерной скоростью, трупное окоченение наступает в определённое время, и так далее. Это довольно грубые «часы» доступные для того, кто расследует убийство. Часы, доступные ученому-эволюционисту, потенциально намного более точны — в пропорции к применяемой шкале времени, конечно, не с точностью до ближайшего часа! Аналогия с точными часами более убедительна для юрских пород в руках геолога, чем для остывающего трупа в руках патологоанатома.

Часы, созданные человеком, работают в масштабах времени, очень коротких по эволюционным меркам — часы, минуты, секунды — и процессы, зависящие от времени, которые они используют, быстры: раскачивание маятника, вращение пружинки, колебание кристалла, горение свечи, опустошение сосуда с водой или песочных часов, вращение земли (зарегистрированное по солнечному циферблату). Все часы используют некоторый процесс, который идет с постоянной и известной скоростью. Маятник качается с постоянной частотой, которая зависит от длины маятника, но (по крайней мере так гласит теория) не от амплитуды раскачивания или массы груза на его конце. Напольные часы с маятником работают в связке маятника с анкером, который продвигает зубчатое колесо, шаг за шагом; тем самым вращение замедлено до скоростей вращения часовой стрелки, минутной стрелки и секундной стрелки. Пружинные часы работают схожим образом. В электронных часах используется электронный эквивалент маятника — колебание определенных видов кристаллов при запитке их энергией от батареи. Водяные часы и свечные часы намного менее точны, но они были полезны до изобретения часов, отсчитывающих события. Они зависят не от подсчета событий, как это делают маятниковые или цифровые часы, а от измерения некоторой количественной величины. Солнечные часы — неточный способ определить время. Но вращение Земли, являющееся процессом с временной зависимостью, на который они опираются, точен в более медленном масштабе времени тех часов, которые мы называем календарем. Это происходит потому, что к этом масштабе времени они больше не являются измеряющими часами (солнечные часы измеряют непрерывную величину угла положения солнца), а становятся отсчитывающими часами (отсчитывающими циклы день/ночь).

Нам доступны как отсчитывающие, так и измеряющие часы на очень медленном временном масштабе эволюции. Но для расследования эволюции мы не нуждаемся просто в часах, которые бы показывали текущее время, как это делают солнечные или наручные часы. Мы нуждаемся в чем-то более похожем на фиксирующий секундомер, который может быть обнулен. Наши эволюционные часы должны быть выставлены на ноль в некоторый момент, так, чтобы мы могли вычислить время, прошедшее после начальной точки, чтобы дать нам, например, абсолютный возраст некоторого объекта, такого как горная порода. Радиоактивные часы для датировки магматических (вулканических) пород удобно обнуляются в момент затведевания расплавленной лавы.

К счастью, доступен ряд обнуляемых естественных часов. Это разнообразие — хорошая вещь, потому что мы можем использовать одни часы, чтобы проверить точность других часов. Еще более удачно, что они чутко покрывают удивительно широкий диапазон временных масштабов, и это нам нужно, потому что масштабы эволюционного времени охватывают семь или восемь порядков. Стоит разъяснить, что это означает. Порядок означает нечто совершенно конкретное. Изменение на один порядок — это одно умножение (или деление) на десять. Так как мы используем десятичную систему счисления, порядок числа — количество нулей, до или после десятичной запятой. Таким образом диапазон в восемь порядков составляет сто миллионов раз. Секундная стрелка часов вращается в 60 раз быстрее, чем минутная стрелка, и в 720 раз быстрее, чем часовая стрелка, так что эти три стрелки охватывают диапазон менее трех порядков. Он ничтожен по сравнению с восемью порядками, охватываемыми нашим набором геологических часов. Часы, построенные на радиоактивном распаде, доступны для коротких сроков, вплоть до долей секунды; но для эволюционных целей часы, которыми можно отмерять века или, возможно, десятилетия — это самое быстрое, из того, что нам необходимо. Этот быстрый конец спектра естественных часов — годичные кольца и углеродное датирование — полезен в археологических целях, и в датировании экземпляров на шкале времени, которая охватывает одомашнивание собаки или окультуривание капусты. В другом конце шкалы мы нуждаемся в естественных часах, которые бы отмеряли сотни миллионов или даже миллиарды лет. И, хвала природе, которая предоставила нам такой широкий ассортимент нужных часов. К тому же их диапазоны чувствительности перекрываются между собой таким образом, что мы можем использовать их для проверки друг друга.

ГОДИЧНЫЕ КОЛЬЦА ДЕРЕВЬЕВ

Часы годичных колец деревьев могут быть использованы для датирования куска дерева, скажем, бревна в доме времен Тюдоров, с удивительным точностью, в буквальном смысле до года. Вот как это работает. Во-первых, как многие знают, можно определить возраст недавно срубленного дерева путем подсчета колец в его стволе, предполагая, что внешнее кольцо представляет настоящее время. Кольца отражают различия роста в разные сезоны года — зимой или летом, сухой сезон и сезон дождей, и они особенно ярко выражены в высоких широтах, где существует сильная разница между сезонами. К счастью, вам не требуется на самом деле срубать дерево, чтобы определить его возраст. Вы можете взглянуть на его кольца, не убивая его, а лишь высверлив отверстие до середины дерева извлекая образец ядра. Но просто подсчет колец не скажет вам, в каком веке бревно вашего дома или мачта вашей галеры викингов было живо. Если вы хотите, датировать давно мертвую древесину, вам придется быть более изощренными. Не просто считайте кольца, а посмотрите на узор из толстых и тонких колец.

Так же, как наличие колец означает сезонные циклы интенсивного и слабого роста, так и некоторые года бывают лучше, чем другие, так как погода меняется из года в год: засуха замедлит процесс роста, а дождливый год ускорит его; есть холодные и теплые годы, и даже годы Эль-Ниньо или катастрофы Кракатау. Хорошие годы, с точки зрения дерева, производят более широкие кольца чем, плохие годы. И узор из широких и узких колец в любом одном регионе, созданный конкретной последовательностью хороших и плохих лет, является достаточно характерным «отпечатком пальца», который точно маркирует годы образования этих колец — чтобы быть распознаваемыми от дерева к дереву.

Дендрохронологи измеряют кольца на свежих деревьях, у которых точная дата каждого кольца определяется путем отсчета назад от года, в котором дерево, как известно, было срублено. На этих измерениях они строят справочную коллекцию узоров колец, с которыми вы можете сравнить узоры колец археологического образца бревна, дату которого вы хотите узнать. Таким образом, вы можете получить заключение: «Эта тюдоровская балка содержит последовательность годовых колец, которая соответствует последовательности из справочной литературы, которая, как известно, сформировалась в годы с 1541 по 1547. Следовательно, дом был построен после 1547 года нашей эры.

Все это очень хорошо, но немногие из сегодняшних деревьев были живы в тюдоровские времена, уже не говоря о каменном веке или ранее. Существуют некоторые деревья — остистые сосны и некоторые гигантские секвойи — которые живут на протяжении тысячелетий, но большинство деревьев, идущих на древесину, вырубается, когда они моложе ста лет или около того. Как, тогда, мы создаем справочную коллекцию колец для более древних времен? Для времен столь отдаленных, что даже самая старая живая остистая сосна не захватывает их? Я думаю, что Вы уже додумались до ответа. Перекрытия. Прочный канат может быть длиной 100 метров, но каждое волокно в нем достигает лишь части этого размера. Чтобы использовать принцип перекрытия в дендрохронологии, вы берете справочные образцы узоров, дата которых известна по современным деревьям. Затем вы идентифицируете узор старых колец современных деревьев и ищете тот же самый узор среди молодых колец давно мертвых деревьев. Затем, вы изучаете узор старых колец этих самых давно мертвых деревьев, и ищете тот же узор в младших кольцах еще более старых деревьев. И так далее. Вы можете выстроить цепочку в прошлое, теоретически на миллионы лет, используя окаменелый лес, хотя на практике дендрохронология используется только в археологических сроках, в масштабах нескольких тысяч лет. И удивительная вещь о дендрохронологии состоит в том, что, по крайней мере теоретически, вы можете сохранять точность до года даже в отношении ископаемого леса, которому 100 миллионов лет. Вы буквально, можете сказать, что это кольцо в ископаемом дереве юрского периода образовалось на 257 лет позже, чем другое кольцо в другом дереве юрского периода! Если бы имелось достаточно окаменелого леса, чтобы построить непрерывную цепочку в прошлое из настоящего, вы бы смогли сказать, что это дерево не только конца юрского периода, но что оно было живо в 151 432 657 году до нашей эры! К сожалению, у нас нет такой непрерывной цепи, и дендрохронология на практике предоставляет нам всего около 11500 лет. Это, однако, — дразнящая мысль, что, если только мы могли бы найти достаточно много ископаемых лесов, мы могли бы датировать с точностью до года на промежутках в сотни миллионов лет.

Как работает дендрохронология

Годичные кольца — не единственная система, которая везде обещает полную точность до года. Осадочные слои, откладываются в ледниковых озерах. Как и годичные кольца, они меняются по сезонам и из года в год, таким образом, теоретически может быть использован тот же самый принцип, с той же степенью точности. У коралловых рифов также есть годичные кольца, точно так же как у деревьев. Удивительно, но они были использованы для установления даты древних землетрясений. Годичные кольца тоже, кстати, говорят нам о датах землетрясений. Большинство других систем датирования, которые доступны нам, включая все радиоактивные часы, которые мы фактически используем во временном масштабе десятков миллионов, сотен миллионов или миллиардов лет, точны только в пределах величины погрешности, которая примерно пропорциональна самому масштабу измеряемого времени.

РАДИОАКТИВНЫЕ ЧАСЫ

Теперь переходим к радиоактивным часам. Их существует довольно много, чтобы можно было выбирать, и, как я уже сказал, они успешно охватывают весь спектр от века до тысяч миллионов лет. У каждых из них есть его собственный предел погрешности, который обычно составляет около 1 процента. Так, если Вы хотите датировать породы, которым миллиард лет, вы должны довольствоваться ошибкой плюс или минус десяток миллионов лет. Если вы хотите датировать породы возрастом в сотню миллионов лет, вы должны удовлетвориться погрешностью порядка миллиона лет. При датировке пород, которым только десятки миллионов лет, вы должны допустить погрешность плюс или минус несколько сотен тысяч лет.

Чтобы понять, как работают радиоактивные часы, мы сначала должны понять, что подразумевается под радиоактивным изотопом. Вся материя состоит из элементов, которые обычно химически объединены с другими элементами. Существует около 100 элементов, несколько больше, если считать элементы, которые когда-либо были синтезированы в лаборатории, и, немного меньше, если считать только те элементы, которые встречаются в природе. Примерами элементов являются: углерод, железо, азот, алюминий, магний, фтор, аргон, хлор, натрий, уран, свинец, кислород, калий и олово. Атомная теория строения вещества, которую, я думаю, принимает каждый, даже креационисты, говорит нам, что каждый элемент имеет свой собственный характерный атом, являющийся наименьшей частицей, на которую вы можете разделить элемент, без чего он перестал бы быть этим элементом. На что похож атом, скажем атом свинца, или меди, или углерода? Ну, он, конечно, не выглядит как свинец или медь или углерод. Он ни на что не похож, потому что является слишком маленьким, чтобы сформировать какое-либо изображение на вашей сетчатке, даже с помощью ультрамощного микроскопа. Мы можем использовать аналогии или модели, чтобы помочь визуализировать атом. Самая известная модель была предложена великим датским физиком Нильсом Бором. Модель Бора, которая сейчас уже является устаревшей, представляет солнечную систему в миниатюре. Роль солнца играет ядро, а вокруг него обращаются электроны, которые играют роль планет. Как и в солнечной системе, почти вся масса атома содержится в ядре («солнце»), и почти весь объем заключен в пустом пространстве, которое отделяет электроны («планеты») от ядра. Каждый из электронов крошечный по сравнению с ядром, и пространство между ними и ядром также огромно по сравнению с размерами и того и другого. Любимая аналогия изображает ядро как муху в середине спортивного стадиона. Ближайшее соседнее ядро является другой мухой в середине примыкающего стадиона. Электроны каждого атома носятся по орбите вокруг своих соответствующих мух, будучи меньшими, чем самые крошечные мошки, слишком маленькие, чтобы быть заметными в том же масштабе, что и мухи. Когда мы смотрим на твердую глыбу железа или скалы, мы «реально» смотрим на то, что представляет собой почти полностью пустое пространство. Оно выглядит и ощущается сплошным и непрозрачным, потому что нашим сенсорным системам и мозгу удобно воспринимать его сплошным и непрозрачным. Для мозга удобно представить камень как сплошное тело, потому что мы не можем пройти через него. «Сплошной» это наш способ воспринимать вещи, через которые мы не можем пройти или провалиться из-за электромагнитных сил между атомами. «Непрозрачный» — это наше ощущение, которое мы получаем, когда свет отражается от поверхности объекта и совсем не проходит через него.

Три вида частиц входят в состав атома, по крайней мере, как это представляется моделью Бора. Электроны мы уже встречали. Другие две частицы, значительно большие, чем электроны, но все же крошечные по сравнению с чем-либо, что мы можем представить или ощутить нашими чувствами, названы протонами и нейтронами, и они находятся в ядре. Они почти одинакового размера. Число протонов постоянно для любого конкретного элемента и равно числу электронов. Это число называется атомным номером. Это уникальная характеристика элемента, и нет никаких пробелов в списке атомных номеров — знаменитой периодической системы [Менделеева]. Каждому номеру в последовательности соответствует ровно один и только один элемент. Элемент с атомным номером 1 — водород, 2 — гелий, 3 — литий, 4 — бериллий, 5 — бор, 6 — углерод, 7 — азот, 8 — кислород, и так далее до таких больших чисел как 92, которое является атомным номером урана.

Протоны и электроны несут электрический заряд противоположного знака — мы называем один из них положительным, а другой отрицательным, в соответствии с произвольным соглашением. Эти электрические заряды важны, когда элементы формируют химические соединения друг с другом, главным образом посредством электронов. Нейтроны в атоме связаны в ядре с протонами. В отличие от протонов, они не несут заряда, и они не играют никакой роли в химических реакциях. Протоны, нейтроны и электроны в любом элементе точно такие же, как и в любом другом элементе. Нет такого понятия как протон золота, или электрон меди, или нейтрон калия. Протон — он везде протон, а то, что делает атом меди медью — то, что в нем ровно 29 протонов (и ровно 29 электронов). То, о чем мы обычно думаем как о природе меди, является вопросом химии. Химия — танец электронов. Она вся заключается во взаимодействии атомов через посредство своих электронов. Химические связи легко разрушаются и заново создаются, потому что только электроны отделяются или обмениваются в химических реакциях. Силы притяжения внутри атомных ядер гораздо труднее разорвать. Вот почему «расщепление атома» звучит так угрожающе, но это может происходить в «ядерных», в противоположность химическим, реакциях, и радиоактивные часы зависят от них.

У электронов незначительная масса, таким образом, полная масса атома, его «атомная масса», равна суммарному числу протонов и нейтронов. Обычно она чуть более чем вдвое превышает атомный номер, потому что, как правило, в ядре имеется несколько больше нейтронов, чем протонов. В отличие от числа протонов, число нейтронов в атоме не является диагностической чертой элемента. Атомы любого конкретного элемента могут быть в различных версиях, называемых изотопами, различающихся числом нейтронов, но всегда с одинаковым числом протонов. У некоторых элементов, таких как фтор, есть только один встречающийся в природе изотоп. Атомный номер фтора 9, а его атомная масса 19, из чего вы можете вывести, что у него 9 протонов и 10 нейтронов. У других элементов существует много изотопов. У свинца пять широко распространенных изотопов. Все они имеют одинаковое число протонов (и электронов), а именно 82, что является атомным номером свинца, но с атомной массой в диапазоне между 202 и 208. У углерода три изотопа, встречающихся в природе. Углерод-12 является обыкновенным углеродом с одинаковым количеством нейтронов и протонов — по 6. Существует также углерод-13, слишком короткоживущий, что-бы им заниматься, и углерод-14, который редок, но не слишком редок, чтобы быть полезными для датировки относительно молодых органических образцов, как мы увидим.

Теперь следующий важный теоретический факт. Некоторые изотопы являются стабильными, другие нестабильны. Свинец-202 является нестабильным изотопом; свинец-204, свинец-206, свинец-207 и свинец-208 — стабильными изотопами. «Нестабильный» означает, что атомы спонтанно распадаются в нечто другое, предсказуемыми темпами, хотя и в непредсказуемые моменты. Предсказуемость скорости распада — ключ ко всем радиометрическим часам. Другое слово для «нестабильного» — «радиоактивный». Существует несколько видов радиоактивного распада, пригодных в качестве часов. Для наших целей не важно понимать их, но я объясню их здесь, чтобы показать великолепный уровень детализации, которого физики достигли в изучении подобного рода вещей. Такие подробности проливают сардонический свет на отчаянные попытки креационистов подыскать оправдания свидетельствам радиоактивного датирования, и сохранить Землю молодой как Питер Пэн.

Во всех этих видах распада вовлечены нейтроны. При одном виде нейтрон превращается в протон. Это означает, что атомная масса остается та же (так как у протонов и нейтронов одинаковая масса), а атомное число повышается на единицу, таким образом, атом становится иным элементом, на один шаг правее в периодической системе. Например, натрий 24 превращается в магний 24. При другом виде радиоактивного распада происходит в точности обратное. Протон превращается в нейтрон. Снова, атомная масса остается та же самая, но на этот раз атомное число уменьшается на единицу, а атом становится следующим элементом левее в периодической системе. Третий вид радиоактивного распада имеет тот же результат. Залетный нейтрон ударяет ядро и выбивает один протон, занимая его место. Опять же, нет никаких изменений в атомной массе, и снова, атомный номер уменьшается на один, и атом превращается в следующий элемент левее в периодической системе. Существует также более сложный вид распада при которой атом испускает так называемую альфа-частицу. Альфа-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов, склеенных вместе. Это означает, что атомная масса уменьшается на четыре, а атомный номер понижается на два. Атом превращается в тот элемент, который находится на две ячейки левее в периодической таблице. Пример альфа-распада — превращение очень радиоактивного изотопа урана 238 (с 92 протонами и 146 нейтронами) в торий 234 (с 90 протонами и 144 нейтронами).

Теперь мы приближаемся к сути всего дела. Каждый нестабильный или радиоактивный изотоп распадается со своей собственной характерной скоростью, которая точно известна. Кроме того, некоторые из этих скоростей значительно медленнее, чем другие.

Во всех случаях распад экспоненциальный. Экспоненциальный означает, что если вы начнете, скажем, со 100 граммов радиоактивного изотопа, то не будет так, что фиксированное количество, скажем в 10 граммов, превратится в другой элемент за данное время. Скорее, фиксированная доля того, что оставалось, превратиться во второй элемент. Общепринятой мерой скорости распада является «период полураспада». Период полураспада радиоактивного изотопа — время, затраченное на распад половины его атомов. Период полураспада одинаков, независимо от того, сколько атомов уже распалось — это означает экспоненциальный распад. Вы можете понять, что с таким последовательным располовиниванием, мы никогда, на самом деле, не узнаем, сколько надо, чтобы не осталось ничего. Однако, мы можем сказать, что после того, как пройдет достаточное количество времени — скажем десять полураспадов, число атомов, которое остается, является настолько маленьким, что, для практических нужд можно считать, что все распалось. Например, период полураспада углерода-14 составляет между 5000 и 6000 лет. Для образцов более старых, чем 50000-60000 лет, радиоуглеродное датирование бесполезно, и мы должны обратиться к более медленным часам.

Период полураспада рубидия-87 составляет 49 миллиардов лет. Период полураспада фермия-244 составляет 3,3 мс. Такие поразительные крайности служат иллюстрацией колоссального диапазона доступных часов. Хотя период полураспада углерода-15 в 2,4 секунды слишком короток для решения эволюционных вопросов, период полураспада углерода-14 в 5730 лет в самый раз для датирования в археологическом масштабе времени, к чему мы сейчас идем. Изотопом, часто используемым в масштабе эволюционного времени, является калий-40 с его периодом полураспада в 1,26 миллиарда лет, и я собираюсь использовать его в качестве своего примера для объяснения в целом идеи радиоактивных часов. Их часто называют калий-аргоновыми часами, потому что аргон 40 (он на единицу меньше в периодической системе) является одним из элементов, в которые распадается калий 40 (другим, в результате другого вида радиоактивного распада, является кальций 40, находящийся на единицу правее в периодической системе). Если начать с некоторого количества калия-40, то через 1260 миллионов лет половина калия-40 распадется в аргон-40. Это — то, что означает период полураспада. Еще через 1.26 миллиардов лет распадется половина того, что оставалось (четверть от исходного) и так далее. За промежуток времени более короткий чем 1.26 миллиарда лет, соответственно меньшее количество исходного калия распадется. Итак, представьте, что вы начинаете с некоторым количеством калия-40 в закрытом пространстве, без аргона 40. После того, как несколько сотен миллионов лет прошли, ученый наталкивается на то же самое замкнутое пространство и измеряет относительные пропорции калия 40 и аргона 40. Из этой доли, вне зависимости от абсолютных количеств, зная период полураспада калия-40 и предполагая, что аргона вначале не было, можно оценить время, прошедшее с момента запуска процесса, иными словами, с того времени, как часы «были обнулены». Заметьте, что мы должны знать соотношение родительского (калий 40) и дочернего (аргон 40) изотопов. Более того, как мы видели ранее в этой главе, необходимо, чтобы наши часы были обнулены. Но что имеется в виду, когда говорят о том, что радиоактивные часы были «обнулены»? Процесс кристаллизации придает этому смысл.

Как все радиоактивные часы, используемые геологами, калий-аргоновый отсчет времени работает только для так называемых магматических пород. Магматические породы затвердевают из расплавленных горных пород — подземной магмы в случае гранита, лавы из вулканов в случае базальта. Когда расплавленная порода отвердевает и формирует гранит или базальт, она затвердевает в виде кристаллов. Эти, как правило небольшие, прозрачные кристаллы, как кварц, но кристаллы, которые слишком малы, чтобы выглядеть как кристаллы для невооруженного глаза. Кристаллы бывают различных типов, и некоторые из них, такие как слюда, содержат атомы калия. Среди них есть атомы радиоактивного изотопа калия 40. Когда кристалл формируется в момент отвердевания магмы, присутствует калий 40, но нет аргона. Часы «обнуляются» в том смысле, что в кристалле нет атомов аргона. По прошествии миллионов лет калий 40 медленно распадается, и, один за другим, атомы аргона 40 заменяют в кристалле атомы калия 40. Накапливающееся количество аргона 40 является мерой времени, прошедшего с момента образования породы. Но по причине, которую я только что объяснил, эта величина имеет смысл только тогда, когда выражается как соотношение калия-40 к аргону-40. Когда часы были обнулены, соотношение составляло 100 процентов в пользу калия-40. Через 1260 млн лет, соотношение будет 50 на 50. Спустя еще 1260 млн лет, половина остававшегося калия-40 будет преобразована в аргон-40, и так далее. Промежуточные пропорции показывают промежуточные времена, с момента когда кристаллические часы были обнулены.  Таким образом, геологи, измеряя соотношение между калием 40 и аргоном 40 в куске магматической породы, которую они берут сегодня, могут сказать, когда порода исходно кристаллизовалась из расплавленного состояния. Магматические породы как правило содержат много различных радиоактивных изотопов, и не только калий 40. Удачным аспектом того, как затвердевают магматические породы является то, что они делают это внезапно — так, что все часы в данном куске породы обнуляются одновременно.

Только магматические породы обеспечивают радиоактивные часы, но ископаемые почти никогда не встречаются в магматической породе. Ископаемые формируются в осадочных породах, таких как известняк и песчаник, которые не являются застывшей лавой. Они — слои грязи, ила или песка, постепенно отлагающиеся на дне моря, озера или лимана. Песок или ил уплотняется в течение многих веков и твердеет, как камень. Трупы, попавшие в грязь, имеют шанс фоссилизироваться [сохраниться как ископаемое]. Хотя только небольшая часть трупов действительно становится ископаемыми, осадочные породы — единственные породы, которые содержат ископаемые, о которых стоит говорить.

Осадочные породы, к сожалению, не могут быть датированы с помощью радиоактивности. Вероятно, отдельные частицы ила или песка, которые входят в состав осадочных пород содержат калий 40 и другие радиоактивные изотопы, и поэтому можно говорить, что они содержат радиоактивные часы; но, к сожалению, эти часы бесполезны, потому что они не обнулены должным образом, или обнулены в разное друг от друга время. Частицы песка, которые уплотнены до песчаника, возможно, первоначально содержались в изверженных породах, но эти магматические породы, из которых образован песчаник, кристаллизовались в разное время. Каждая песчинка имеет часы, обнуленные в свое время, и это обнуленное время установлено, вероятно, задолго до формирования осадочных пород и захоронения ископаемых, которых мы пытаемся датировать сегодня. Так, с точки зрения хронометрирования, осадочная порода — сплошной беспорядок. Она не может быть использована. Лучшее, что мы можем сделать, и это — довольно хорошее лучшее, это использовать возраст вулканических горных пород, которые находятся вблизи осадочных пород или внедрены в них.

Для датировки ископаемого вам не требуется в буквальном смысле найти его запрессованым между двумя плитами магматических пород, хотя это отличный способ для иллюстрации принципа. Фактический используемый метод более утонченный, чем этот. Узнаваемо схожие слои осадочных пород встречаются по всему миру. Задолго до того, как радиоактивное датирование было открыто, эти слои были идентифицированы и названы: кембрийский, ордовикский, девонский, юрский, меловой, эоцен, олигоцен, миоцен. Девонские отложения опознаваемы как девонские, не только в Девоне (графство на юго-западе Англии, что дало им их название), но и в других частях мира. Они явно похожи друг на друга, и они содержат аналогичные виды ископаемых. Геологам уже давно известен порядок, в котором откладывались названные отложения. До появления радиоактивных часов мы просто не знали, когда они образовались. Мы могли расположить их по порядку, потому что, очевидно, более древние отложения, как правило, лежат ниже более молодых отложений. Девонские отложения, например, старше отложений каменноугольного периода (названного в честь каменного угля, который часто встречается в его слоях), и мы знаем это, потому что в тех частях мира, где эти два слоя встречаются в одном месте, девонский слой лежит под каменноугольным (исключения из этого правила встречаются в местах, где мы можем сказать, исходя из других свидетельств, что породы были наклонены, или даже перевернуты). Обычно так не везет, чтобы обнаружился полный набор слоев, от Кембрийского в нижней его части до современных на самом верху. Но, поскольку слои являются столь узнаваемыми, вы можете определить их относительные возрасты, выстраивая друг за другом и собирая их пазл по всему миру.

Так, задолго до того, как мы узнали настолько древними являются ископаемые, мы знали порядок, в котором они были отложены, или, по крайней мере, порядок, в котором откладывались названные отложения. Мы знаем, что кембрийские окаменелости во всем мире — более древние, чем ордовикские, которые старше силурийских; затем идут девонские, затем каменноугольные, пермские, триасовые, юрские, меловые, и так далее. И в пределах этих крупных названных слоев геологи также различают подобласти: верхняя юра, средняя юра, нижняя юра, и так далее.

Названные слои обычно идентифицируются по ископаемым, которые они содержат. И мы будем использовать порядок ископаемых в качестве свидетельства эволюции! Имеется ли здесь риск превращения этого в круговой аргумент? Определенно, нет. Подумайте об этом. Кембрийские ископаемые — характерный набор, безошибочно распознаваемый как кембрийский. На минуту мы используем характерные наборы ископаемых просто в качестве меток для горных пород кембрия, в качестве видов-индикаторов, везде, где мы можем найти их. Несомненно поэтому нефтяные компании нанимают экспертов по ископаемым для идентификации отдельных слоев горных пород, как правило по микроскопическим ископаемым, крошечным существам, называемым фораминиферами, например, или радиоляриями. Набор характерных ископаемых используется, для распознавания ордовикских пород, девонских пород и так далее. До сих пор все, для чего мы используем эти ископаемые подборки — это определение, является ли пласт породы, скажем, пермским или силурийским. Теперь мы переходим к использованию порядка, в котором названные слои были отложены, с помощью цепочек, составленных по всему миру, в качестве свидетельства того, какие из слоев старше, а какие моложе других. Установив эти два набора данных, мы можем затем последовательно смотреть на ископаемые во все более молодых слоях, чтобы узнать, составляют ли они разумную эволюционную последовательность друг с другом. Они прогрессируют в разумном направлении? Появляется ли определенный тип ископаемых, например млекопитающие, только после определенной даты? Ответ на все такие вопросы — да. Всегда да. Без исключений. Это мощное доказательство эволюции, ибо это никогда не было необходимым фактом, чем-то таким, что должно вытекать из нашего метода идентификации слоев и нашего метода получения временной последовательности.

Это факт, что буквально никто из тех, кого можно отдаленно назвать млекопитающими, никогда не были найдены в девонских породах или в любом более древнем слое. Они не просто встречаются статистически реже в девонских, чем в более поздних породах. Они буквально никогда не встречаются в породах старше определенной даты. Но это не обязано было быть так.  Могло бы оказаться, что когда мы копаем ниже и ниже от девона, через силур и даже дальше, через ордовик, мы внезапно нашли бы, что кембрийская эра, более старая чем, любая из них, изобиловала млекопитающими. Это, на самом деле не то, что мы видим, но возможность этого демонстрирует, что не можете придраться к аргументу, что он круговой: в любой момент кто-нибудь мог бы откопать млекопитающее в кембрийской породе и теория эволюции была бы мгновенно подорвана, если бы такое случилось. Эволюция, другими словами, является фальсифицируемой [теоретически способной быть опровергнутой], и поэтому научной, теорией. Я вернусь к этому в главе 6.

Попытки креационистов объяснить такие результаты зачастую оказываются крайне комичны. Ноев потоп, нам говорят, является ключом к пониманию того порядка, в котором мы находим ископаемые остатки основных групп животных. Вот прямая цитата из заслужившего награды креационистского веб-сайта.

Последовательность ископаемых в геологических слоях показывает:

(I) БЕСПОЗВОНОЧНЫЕ (медленно движущиеся морские животные) погибли первыми сопровождаемые более подвижными рыбами, которые были занесены илом потопа

(II) АМФИБИИ (близко от моря) погибли следующими, поскольку воды поднялись.

(III) РЕПТИЛИИ (медленно движущиеся наземные животные) умирают следующими.

(IV) МЛЕКОПИТАЮЩИЕ могли убегать от поднимающейся воды, более крупные и быстрые млекопитающие выжили дольше остальных.

(V) ЧЕЛОВЕК проявлял больше изобретательности — цепляясь за бревна, и т. д, чтобы избежать потопа.

Эта последовательность — вполне удовлетворительное объяснение порядка, в котором различные окаменелости найдены в слоях.Это НЕ тот порядок, в котором они эволюционировали, а порядок, в котором они были затоплены во время потопа.

Помимо всех других причин возразить против этого замечательного объяснения, можно сказать, что могла существовать лишь статистическая тенденция, чтобы млекопитающие, например, были в среднем лучше, чем рептилии, в избегании подъема уровня воды. Вместо этого, как и следовало ожидать по теории эволюции, буквально нет млекопитающих в низлежащих слоях геологической летописи. Теория «бегства на возвышенности» была бы на более твердой почве, если бы было статистическое затухание [ископаемых] млекопитающих, по мере продвижения вниз по породам. Не существует никаких трилобитов выше пермских слоев, никаких динозавров (кроме птиц) выше меловых слоев. Еще раз, теория «бегства на возвышенности» предсказывает статистическое затухание.

Вернемся к датированию и радиоактивным часам. Поскольку относительный порядок проименованных осадочных слоев хорошо известен, и один и тот же порядок обнаруживается во всем мире, мы можем использовать магматические породы, которые лежат выше или ниже осадочных слоев, или которые внедрены в них, для датирования проименованных осадочных слоев, и, следовательно, окаменелостей внутри них. В качестве уточнения метода, мы можем датировать ископаемые, которые лежат в верхней части, скажем, слоя каменноугольного или мелового периода, как более поздние, чем ископаемые, которые лежат несколько ниже в том же слое. Нам не обязательно искать магматические породы в окрестностях того или иного отдельного ископаемого для его датировки. Мы можем сказать, что наши ископаемые относятся к, скажем, концу девонского периода, по их позиции среди девонских слоев. И мы знаем по радиоактивному датированию магматических пород, обнаруженных в связи с девонскими слоями по всему миру, что девонский период закончился около 360 миллионов лет назад.

Радиоактивные часы

Калий-аргоновые часы — только одни из многих часов, доступных геологам, которые используют тот же принцип в различном масштабе времени.Выше приведена таблица часов, от медленных до быстрых. Обратите еще раз внимание на удивительный диапазон периодов полураспада, от медленного в 49 миллиардов лет до менее чем 6.000 лет на «быстром конце». Более быстрые часы, такие как углерод 14, работают несколько иным способом. Это потому, что «обнуление» этих высокоскоростных часов неизбежно отличается. У изотопов с коротким периодом полураспада, все атомы, присутствовавшие при начальном формировании Земли, уже давно исчезли. Прежде чем перейти к радиоуглеродному датированию, стоит сделать паузу, чтобы рассмотреть другую часть свидетельств в пользу старости планеты Земля, возраст которой измеряется в миллиардах лет.

Среди всех элементов, которые встречаются на Земле, 150 устойчивых изотопов и 158 неустойчивых, всего 308. Из 158 неустойчивых 121 уже полностью распались или существуют только потому, что они постоянно возобновляются, как углерод 14 (как мы увидим ниже). Теперь, если мы рассматриваем 37, которые не исчезли, мы замечаем что-то значимое. У каждого из них период полураспада больше, чем 700 миллионов лет. А если мы рассмотрим 121, которые исчезли, у каждого из них период полураспада меньше, чем 200 миллионов лет. Кстати, не запутайтесь. Помните, мы говорим о периоде полураспада, а не жизни! Подумайте о судьбе изотопа с периодом полураспада 100 миллионов лет. Изотопы, период полураспада которых составляет менее одной десятой или около того возраста Земли, исчезли и для практических целей, не существуют, за исключением особых обстоятельств. С исключениями, для которых есть особые причины, понятные нам, изотопы, которые мы находим на Земле, являются только такими, у которых период полураспада достаточно длительный, чтобы сохраниться на очень старой планете. Углерод-14 является одним из этих исключений, и по интересной причине, а именно, что он непрерывно пополняется. Роль углерода-14 в качестве часов поэтому следует понимать по-другому, чем у более долгоживших изотопов. В частности, что означает обнулить эти часы?

УГЛЕРОД

Из всех элементов углерод, кажется, наиболее обязательным для жизни — элемент, без которого жизнь на любой планете труднее всего представить. Это из-за замечательной способности углерода к формированию цепочек, колец и других сложных молекулярных архитектур. Он попадает в пищевые цепи с помощью фотосинтеза, процесса, при котором зеленые растения поглощают молекулы углекислого газа из атмосферы и используют энергию солнечного света, чтобы объединить атомы углерода с водой, создавая сахар. Весь углерод в нас и во всех других живых существах происходит в конечном счете, через растения, из углекислого газа в атмосфере. И он постоянно возвращается обратно в атмосферу: когда мы выдыхаем, когда мы выделяем, и когда мы умираем.

Большая часть углерода в углекислом газе атмосферы — углерод 12, который не радиоактивен. Однако, примерно один атом на триллион является углеродом-14, который радиоактивен. Он распадается довольно быстро, с периодом полураспада 5730 лет, как мы видели, в азот-14. Биохимия растений слепа к различию между этими двумя углеродами. Для растения углерод — всего лишь углерод. Таким образом, растения берут углерод 14 вместе с углеродом 12, и включают оба этих вида атомов углерода в сахара в той же самой пропорции, в какой они присутствуют в атмосфере. Углерод, входящий в состав в атмосферы (вместе с такой же пропорцией атомов углерода-14) быстро (по сравнению с периодом полураспада углерода-14) распространяются через пищевую цепь, когда растения поедаются травоядными, травоядные хищниками и так далее. Все живые существа, будь то растения или животные, имеют примерно равное соотношение углерода-12 и углерода-14, которое является тем же самым соотношением, что мы находим в атмосфере.

Итак, когда эти часы обнуляются? В момент, когда живое существо, будь то животное или растение, умирает. В этот момент оно отсекается от пищевой цепи, и от притока свежего углерода-14 через растения из атмосферы. С течением столетий углерод 14 в трупе, или куске дерева, или части ткани, или чего-то еще постоянно распадается в азот-14. Соотношение углерода-14 к углероду-12 в образце поэтому постепенно падает дальше и дальше ниже стандартного соотношения, которое живущие существа делят с атмосферой. В конце концов останется только углерод-12 — или, точнее, содержание углерода-14 будет слишком малым, чтобы его измерить. И соотношение углерода-12 и углерода-14 может быть использовано для расчета времени, которое прошло со дня смерти существа, отрезанного от пищевой цепи, и его обмена с атмосферой.

Это очень хорошо, но это работает только потому, что идет непрерывное пополнение запаса углерода-14 в атмосфере. Без этого углерод-14 с коротким периодом полураспада давно бы исчез с лица Земли, наряду со всеми другими естественными изотопами с коротким периодом полураспада. Углерод 14 является особенным, потому что он непрерывно создается космическими лучами, бомбардирующими атомы азота в верхних слоях атмосферы. Азот — самый распространенный газ в атмосфере, и его атомное число 14, то же самое, что и у углерода 14. Различие в том, что у углерода-14 6 протонов и 8 нейтронов, в то время как у азота-14 7 протонов и 7 нейтронов (нейтроны, помните, имеют почти ту же массу, что и протоны). Частицы космических лучей способны, бомбардируя протон в ядре азота, преобразовывать его в нейтрон. Когда это происходит, атом становится углеродом-14, который стоит на одну клетку левее, чем азот в периодической системе. Скорость, с которой это преобразование происходит, примерно постоянна из века в век, и поэтому радиоуглеродное датирование работает. Фактически скорость не является точно постоянной, и в идеале мы должны делать поправки на это. К счастью, у нас есть точная калибровка колебаний поставки углерода-14 в атмосферу, и мы можем ввести поправку на них, чтобы уточнить наши вычисления возраста. Помните, что, примерно для того же самого временного диапазона, покрываемого датированием по радиоуглероду, у нас есть альтернативный метод датирования древесины — дендрохронология — который абсолютно точен до года. Глядя на датируемые по радиоуглероду возрасты деревянных образцов, возраст которых независимо установлен датированием с помощью годичных колец, мы можем откалибровать эту колеблющуюся ошибку в датировании по углероду. Теперь мы можем использовать эти калибровочные измерения, когда мы возвращаемся к органическим образцам, для которых у нас нет данных годичных колец (для большинства).

Датирование по радиоуглероду — сравнительно недавнее изобретение, берущее начало лишь в 1940-ых. В его первые годы требовались существенные количества органического материала для процедуры датирования.