Який вік Землі і як його визначали

Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.

Наші уявлення про час змінюються з часом. Останній переворот в цих уявленнях стався на початку минулого століття. Був проголошений принцип єдності простору-часу (в рамках теорії відносності Ейнштейна). Подібні перевороти змушують начебто визнати відносність самих поглядів про сутність часу і підозрювати, що через деякий термін вони можуть знову змінитися.

Крім загальних міркувань про час є й інший аспект проблеми – прикладний, пов’язаний з технікою вимірювання інтервалів часу, з визначенням дат різних подій в історії людства, Землі, Всесвіту. Особлива область знання – геохронологія – покликана проводити хронометраж геологічної історії нашої планети. Але обчислення часу – не тільки технічна операція. Дані геохронології накладають певний відбиток на розуміння закономірностей життя Землі і Всесвіту.

Так ось, все більш точні методи дають все більшу величину віку Землі. Триста років тому близький друг І. Ньютона Е. Галлей спробував оцінити вік Землі за швидкістю засолонення Світового океану. Вміст солі в океані він розділив на кількість солі, яка щорічно виноситься в океан річками, і отримав величезну на ті часи цифру: десять тисяч років (згадаємо, що від створення світу тоді налічувалося — богословами — не більше 5-7 з невеликим тисяч років).

Підрахунки Е. Галлея були, м’яко висловлюючись, не дуже точні, а результат їх — дуже близький до канонічної дати створення світу. Але тут важливий принцип, метод. Перехід від загальних міркувань і тлумачень Святого Письма до узагальнень, фактів і розрахунків став першим кроком на шляху до сучасних досягнень геохронології.

Через півстоліття французький натураліст Ж. Бюффон уточнив дані Е. Галлея за допомогою іншого методу: зіставляючи швидкість охолодження кам’яних куль в експериментах з передбачуваною швидкістю охолодження земної кулі, що колись знаходилася — за гіпотезою Бюффона — в розпеченому стані. Вийшла нова цифра: сімдесят п’ять тисяч років.

У період становлення класичної геології – в першій половині XIX століття – вчені воліли не давати точних датувань. Однак у Чарльза Лайєля зустрічається згадка про багато мільйонів років геологічної історії. В середині XIX століття фізик лорд Кельвін (У. Томсон) заново обчислив час охолодження Землі і отримав кілька цифр — від 20 до 400 мільйонів років. Перевагу він віддав все-таки найменшій! В самому кінці століття Д. Джолі перерахував, слідуючи за Галеєм, швидкість збагачення Світового океану натрієм і назвав цифру в 90 мільйонів років. Приблизно так само оцінив вік Землі астроном Д. Дарвін – 100 мільйонів років (виходячи з припущення, що Земля і Місяць колись становили одне небесне тіло, і обчисливши, за який термін під дією приливних сил, викликаних тяжінням Місяця, наша планета стала обертатися з сучасною швидкістю). Гарний збіг двох незалежних наукових розрахунків!

Однак на цьому «постаріння» нашої планети далеко не закінчилося. Д. Джолі засумнівався у своїх висновках, підрахував заново швидкість виносу натрію і хлору з порід і обгрунтував нові цифри: 210-340 мільйонів років. А геофізик Джефріс, уточнивши розрахунки Д. Дарвіна, отримав дату – кілька мільярдів років.

Воістину революційним став метод підрахунку віку гірських порід за вмістом в них продуктів радіоактивного розпаду. За допомогою цього методу в середині минулого століття була отримана для найдавніших порід нова дата народження – 2,5 мільярда років; а пізніше деякі дослідники отримали куди більш значні цифри.

Суть методу проста. При радіоактивному розпаді накопичуються стійкі продукти розпаду. Наприклад, уран-238 перетворюється в свинець-206 з утворенням інертного газу гелію. Чим довше йде процес, тим менше залишається урану і більше з’являється свинцю і гелію.

Швидкості розпаду радіоактивних елементів точно обчислені. Кількість продуктів розпаду можна визначити. А далі, майже як в задачці, де по швидкості і пройденому шляху обчислюється час руху, неважко розрахувати тривалість життя («старіння») радіоактивного мінералу. Початкова точка відліку – той момент, коли розплавлена (розпорошена, розріджена) гірська порода твердне і наявні в ній радіоактивні частинки виявляються наглухо замурованими в кам’яній схованці і можуть тепер тут накопичуватися продукти розпаду.

«Радіоактивний годинник» – прекрасний подарунок фізиків геологам. Швидкість радіоактивного розпаду не змінюється від зовнішніх впливів і підпорядковується досить простій закономірності. Залишається відбирати зразки і кваліфіковано проводити аналізи.

Треба тільки врахувати дві істотні обставини. Перша: як не міцна кам’яна темниця гірської породи, проте за багато мільйонів років з неї просочуються «на волю» по мікроскопічних тріщинах продукти розпаду. Друга: час відзначається тільки з того моменту, коли сформувалася гірська порода, а скільки пройшло до тієї пори, за радіоактивним годинником не визначиш…

Скільки ж років Землі за даними сучасної науки! Зазвичай відповідають: 4,6 мільярда років. У кращому випадку додають: приблизно. Наскільки обґрунтована ця дата! Чи можна вважати її остаточною, абсолютною?

Уявімо, що ми визначаємо вік людини по окремих клітинах її організму. Що ми отримаємо! Серію різноманітних цифр. Звичайно, мінімальні значення ми не станемо брати до уваги (клітина могла тільки що виникнути або в неї тільки-тільки потрапила відповідна речовина, що служить нам годинником).

І ось, орієнтуючись на максимальні з отриманих датувань і припускаючи побачити немовля, ми зіткнемося віч-на-віч зі старцем! Підвів метод аналізу або розбіжність техніки? Ні – власна помилка! Ми не врахували, що в живому організмі всі клітини постійно оновлюються. Людина значно старіше будь-якої з клітин, що складають її організм.

Чи не відбувається чогось в цьому роді і тоді, коли за віком найбільш древніх порід судять про вік всієї планети!

Будь-яка гірська порода – продукт багаторазових перетворень речовини земної кори, охолодження магми, перевідкладення продуктів розпаду, метаморфізації, розплавлення і т. д. Навіть найдавніша з порід (за даними радіохронології) могла мати дуже довгу і складну історію, перш ніж в неї потрапив радіоактивний мінерал, що служить нам сьогодні годинником. Чи можна по цій «клітинці» земної кори судити про вік всього «організму» всієї планети.

І, якщо земна кора містить безліч найрізноманітніших годинників, яка гарантія, що ми вибрали серед них найдавніші!

Є ще один метод визначення віку Землі. Якщо припустити, що наша планета з’явилася не раніше, ніж Сонце, то за відповіддю слід звернутися до світила.

Можливий ще один підхід до визначення максимально можливого віку Землі. На думку академіка В. І. Вернадського, радіоактивні абсолютно всі елементи, а не тільки ті, у яких ми вміємо радіоактивність спостерігати. «Діапазон буття атомів, – писав В. І. Вернадський,— таким чином, величезний: стобільйонні або мільйонні частки секунди, з одного боку,— десятки білліонів, а може бути, більше квінтильонів років, з іншого. Насправді велика цифра ймовірніша, бо науково знайдена верхня межа мінімальна і далека від кінця».

Цю гіпотезу Вернадського ніяк не можна назвати визнаною. За сучасними уявленнями є стабільні атомні ядра і елементарні частинки, наприклад нейтрино, електрон, протон. Теоретично вони можуть існувати невизначено довгий час.

Втім, нас-то цікавить вік величного створення природи – світобудови, а не крихітних її цеглинок — атомів і частинок. Точніше, вік таких «деталей» світобудови, як планети типу Землі. Не виключений, зокрема, варіант, що планети древніше свого світила. Адже в мікросвіті, наприклад, у всіх атомів, що виникли в результаті радіоактивного розпаду, електрони неминуче старше ядер.

Звичайно, порівняння – не доказ. Так, мабуть, і не обійтися без будь-яких умовностей. Скажімо, слід припустити, що Земля не старіше Сонця або більшості зірок.

Визначення віку зводиться перш за все до вибору відповідних годинників. У випадку з земною корою радіоактивний годинник відзначає інтервал, що минув з моменту консолідації мінералу. А що було раніше, скільки років пройшло від народження Землі до цієї події! Для відповіді потрібно шукати більш надійні, довгоживучі сховища часу. Потрібні годинники, які старші за Землю. Включені, так би мовити, ще до її народження. А дату і обставини народження Землі таїть в собі космос.

Який вік Всесвіту і чи довго йому ще «старіти»

Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.

Знаючи вік матері, можна визначити хоча б максимально можливий вік її дітей. Правда, в космології все набагато складніше. Хоча б тому, що і вік самого Всесвіту вказують, як правило, з настільки ж невисокою точністю, що і вік Землі. Більш того, і в цьому випадку є підозра, що перед нами — величина знову-таки дуже відносна і близька до мінімальної.

Знаменитий англійський астроном Джемс Джині півстоліття тому спробував оцінити вік зірок декількома методами. Наприклад, по орбітах подвійних зірок. Подвійні зірки були колись одним тілом і по народженні, оберталися одна навколо іншої по кругових орбітах. Спостереження показують, що нинішні орбіти подвійних зірок еліптичні. За розрахунками Джинса, на подібне викривлення деяких орбіт під дією сил тяжіння потрібні були тисячі мільярдів років. Приблизно ті ж цифри вийшли при розрахунках динаміки зоряних скупчень, через яку більш важкі зірки, за словами Джинса, рухаються правильним ладом у штовханині більш легких зірок, «подібно зграї лебедів, що летять крізь натовп граків та шпаків».

Ще один спосіб зоряної хронології. При досить довгій гравітаційній взаємодії всі зірки повинні обмінюватися енергією руху до встановлення рівноваги, подібно молекулам газу, що знаходяться в замкнутому обсязі. Тобто енергія руху зірок повинна бути приблизно однаковою незалежно від їх мас (а спочатку, при рівності швидкостей, вона у масивних зірок була більше). Як показують спостереження і розрахунки, цей стан приблизно досягнуто для зірок майже всіх спектральних класів. Виняток – тільки наймасивніші зірки, у яких середня енергія руху дещо знижена. І знову, провівши складні обчислення, Джині отримав цифри близько декількох тисяч мільярдороків, необхідних для встановлення подібної «зоряної рівноваги».

Нарешті, Джині, слідом за іншим відомим астрономом, Еддінгтоном, розрахував, за скільки часу зірки, палаючи, можуть втратити свої маси до сучасних значень. Він виходив з того, що маса зірки приблизно (за рідкісним винятком) пропорційна її світності. Передбачається, що зірки проходять подібні етапи розвитку. Тоді для найбільш древніх, враховуючи швидкість їх «старіння-згоряння», виходять знову багато тисяч мільярдів років. Між іншим, вік Землі Джині оцінював всього-то в два мільярди років!

Звичайно, доводиться пам’ятати, що всі подібні розрахунки засновані на гіпотезах півстолітньої давності і в наші дні не користуються популярністю у астрономів. Однак хіба для сучасних теорій і гіпотез не може настати час, коли вони вийдуть з моди! А тоді, як відомо, занадто часто повертаються до добре забутого старого.

У сучасній астрономії панує думка про те, що вік нашого, доступного спостереженням Всесвіту… Точну цифру назвати важко – за останні роки вона змінювалася в бік збільшення в міру того, як виявлялися все більш і більш «старі» об’єкти (наприклад, квазари). Правда, зміни в принципі несуттєві: від 12 до 20-25 мільярдів років.

Ситуація, мабуть, нагадує історію з визначенням віку Землі. Як і раніше стоїть і питання, чи достатньо древні космічні годинники, за якими ми визначаємо вік Всесвіту, а значить, і гранично можливий вік Сонячної системи і Землі. Треба врахувати, що визначення ведуться по зірках, що займають незначну частку обсягу Всесвіту. Ми володіємо в своєму розпорядженні деякими, переважно непрямими, даними про вік зірок, але «Зоряний годинник» абсолютно не обов’язково свідчить про вік інших космічних об’єктів. Тим більше-самого Всесвіту.

Правда «Зоряний годинник», крім фактів про час існування сонячних систем і галактик, надає матеріал для міркувань про шляхи еволюції Всесвіту. Астрономи схильні об’єднувати факти з міркуваннями. І тоді виходить, що вік найдавніших зірок відповідає (приблизно) віку Всесвіту.

Спектральні лінії світлового сигналу від об’єкта, що віддаляється зміщуються в червону сторону пропорційно швидкості руху. І спостережуване червоне зміщення спектрів зірок також пропорційно змінюється в залежності від відстані до об’єкта. Логічно припустити: чим далі від нас об’єкт, тим швидше він рухається (від нас, природно); а якщо розділити пройдену об’єктом відстань на його швидкість, отримаємо час руху. Виходить, найвіддаленіші зірки – це і є найдавніший астрономічний годинник! (Якщо, звичайно, в деякий «нуль-час» всі зоряні маси були об’єднані у вселенську «надзірку».)

Настільки простий висновок викликав спочатку хвилю скептицизму. Ніхто не сперечався про сам факт червоного зміщення. Однак пояснювати його пробували по-різному. Наприклад, так: світлові «пакети» — фотони, мандруючи в незвіданому просторі мільйони років, відчувають зміни («старіють»), що і відображає їх «почервоніння» з віком. Значить, червоне зміщення вказує на вік фотонів, а не зірок або, тим більше, Всесвіту. Ця гіпотеза була, в свою чергу, піддана критиці. Вказувалося, що старіння фотонів повинно супроводжуватися «розмазуванням» зображень зірок і т. д.

Іншу гіпотезу висловив англійський астроном Е. Мілн. На його думку, «старіли» не фотони, а зоряна матерія. Коли зірки випромінювали світло, яке ми зараз приймаємо, тоді мільйони і мільярди років тому вони були іншими. Ми як би читаємо листи від адресатів, сильно постарілих або навіть давно померлих поки йшов лист. Дивно припускати, що вони знову написали б точно такі листи, як в далекій і безповоротній юності.

Подібні доводи здаються досить резонними. Хоча довести їх не легше, ніж спростувати.

Отже, отримуючи сигнали від далеких зірок, ми маємо право припускати, що зірки ці віддаляються від нас (ідея гігантського вибуху і розбігання галактик), або змінюють з часом швидкість фізичних процесів (ідея Мілна), або, нарешті, відбувається спотворення світлових сигналів («старіння» фотонів). Однак у будь-якому з цих трьох варіантів вік зірок начебто повинен обов’язково не перевищувати 15-25 мільярдів років.

Але не будемо поспішати з висновками. Не виключено, що слід звернутися до зовсім іншим «годинникам».

Порівняно недавно в міжзоряному середовищі були виявлені спектри молекул, що складаються з водню, вуглецю, кисню, азоту (водяна пара, окис вуглецю, аміак, синильна кислота). Серед них навіть сіматомні молекули!

Повідомлення про знахідки молекул в космосі стали надходити ще кілька десятиліть тому. Однак мало хто приймав їх тоді всерйоз: занадто неймовірною представлялася можливість зустрічі в надрозрядженому міжзоряному середовищі двох атомів або, тим більше, трьох, чотирьох, п’яти!

Дійсно, якщо утворення в космосі молекул прийняти за своєрідний «молекулярний годинник», то показує він зовсім не той час, що годинник світловий. «При концентрації 100 атомів в 1 кубічному сантиметрі кожен атом відчуває зіткнення приблизно раз на сто років – пише астрохімік В. С. Стрельницький. Але потрібно мати на увазі, що для утворення більшості молекул необхідно одночасне зіткнення трьох частинок: третя частка бере на себе надлишок енергії зіткнення і тим самим дає можливість двом іншим частинкам злитися в молекулу, а не розлітатися, як після зіткнення пружних кульок. Такі потрійні зіткнення при малих концентраціях трапляються вкрай рідко: при концентрації 100 атомів в 1 кубічному сантиметрі – раз в 10 20 років, що в 10 10 (десять мільярдів!) раз перевершує прийнятий зараз вік Галактики! Можна зрозуміти песимізм астрономів, які не вірили в існування міжзоряних молекул…»

Які ж непомірні цифри віку Всесвіту повинні давати міжзоряні молекули, складені з семи атомів!

Відкриті ефекти «молекулярного тунелювання» дозволяють сподіватися, що утворення складних молекул в міжзоряному середовищі в результаті квантових процесів може відбуватися набагато інтенсивніше, частіше, ніж передбачалося. Однак навіть якщо швидкості хімічних реакцій в космосі в мільярди разів перевищують ті, про які писав В. С. Стрельницький, все одно вік Всесвіту виявляється дуже і дуже значним. Тим більше, що перш ніж виникли молекули, повинні були з’явитися атоми.

Пошуки справжнього часу в геології та астрономії заводять далеко. Можливо, навіть дуже далеко, тому що ставлять під сумнів деякі звичні уявлення. І хоча вчені виступають за нові несподівані ідеї, лише в рідкісних випадках екзотичні гіпотези зустрічають прихильний прийом. І це, безумовно, можна зрозуміти — сумніви перш за все.

Але хіба не заманливо поміркувати над проблемою віку Всесвіту, зачепившись за таку, наприклад, гіпотезу!

Відомо, що швидкість світла у вакуумі – 300 000 кілометрів в секунду. Цифра ця – одна з ключових практично у всіх розрахунках віку Всесвіту.

Але хтозна, чи не слід зробити одне уточнення: мається на увазі швидкість світла в сучасному вакуумі. А яка гарантія того, що мільярди років тому властивості космічного вакууму були точно такими, як нині!

Проблема еволюції вакууму (який часто ототожнюється з енергоємним станом, звідки як би виринають елементарні частинки) порівняно нова і, можливо, дуже перспективна.

Якщо ми приймаємо швидкість світла у вакуумі постійною, то це абсолютно справедливо для даного стану Всесвіту.

Однак промінь світла, неймовірно довго подорожуючий в космосі, міг з часом пробігати через вакуум різної «щільності», а тому швидкість його змінювалася. Червоне зміщення, можливо, повідомляє нам ні про що інше, як про зміни космічного вакууму. Цілком зрозуміло – чим далі від нас об’єкт в просторі, тим далі він від нас і в часі, тим довше йшов від нього сигнал і тим більш ранню стадію еволюції вакууму він відображає…

Всесвіт змінюється, з цим доводиться рахуватися тепер будь-якій науковій гіпотезі. Крім варіанту гарячого народження є і альтернативний. Від свого початкового стану Всесвіт надзвичайно повільно переходив до нинішнього. Варіант «холодного народження» Всесвіту може грунтуватися на гіпотезі послідовної появи, «виринання» пар елементарних частинок з первинного вакууму.

Щоб з вакууму, частка за часткою, виникла вся маса речовини, яка складає видимий нами світ, потрібно чимало часу. Однак природа не обмежена на відміну від нас в такій “малості”, як час. Для неї рівні і мить, і вічність. Їй чужі поняття початку і кінця, настільки знайомі нам. (Коли на таких поняттях будуються космогонії, то важко позбутися враження, що вони творять світ за образом і подобою людини.)

Найбільш складне питання, пов’язане з холодним народженням Всесвіту, відноситься до долі античастинок — їх повинно бути рівно стільки, що і частинок. Де вони?

Існує кілька можливих варіантів поділу, відокремлення світів та антисвітів. Однак жоден з них не можна вважати до кінця переконливим. Адже скрізь частинки і античастинки народжувалися одночасно, парами і при зустрічах своїх повинні були негайно анігілювати, переходити у випромінювання. Важко уявити такий фільтр, крізь який «просіялися» всі до однієї елементарні частинки нашої Галактики, а античастинки були затримані і відкинуті геть, і слід їх пропав у безмежності космосу.

Залишається ще один варіант, який майже не випробуваний в рамках сучасних космогонічних гіпотез. Все те, що ми називаємо звичною нам матерією і припускаємо складеним з речовини (на відміну від антиречовини), в дійсності може являти собою результат об’єднання частинок і античастинок. Про таку можливість побіжно згадав відомий американський фізик Р. Фейнман в одній зі своїх робіт.

У тому, що ця ідея не настільки вже абсурдна, переконує недавнє відкриття так званих квазіядерних мезонів. У цих частинках, нехай і ненадовго, зливаються воєдино дві протилежності – нуклон і антинуклон.

«Холодне народження» Всесвіту відкриває нам безодню часу, робить практично нескінченним процес утворення і перетворень видимого нам світу. Хоча і зовсім не виключається подальше збігання і розбігання галактик, стиснення і розширення Метагалактики — космічні цикли тривалістю в десятки мільярдів років.

Висновки

Автор зовсім не збирається стверджувати, ніби вік Землі, Сонця або всієї Метагалактики неодмінно обчислюється в тисячах мільярдів років і т. д. хотілося б тільки показати, що подібна можливість не виключена.

Так значить – повна невизначеність? Ні, звичайно. Історія науки показує, що безмежна допитливість людини дозволяє їй знаходити все більш точні геологічні та астрономічні «годинники», що відзначають вік тих чи інших об’єктів. Тільки не слід забувати, що зазвичай ми отримуємо мінімальні дати існування космічних тіл. Спроби з’ясувати максимальні дати досі залишаються в залежності від суб’єктивних факторів: прихильності автора хронологічних розрахунків до певної космогонічної теорії (гіпотези). Чи можливі об’єктивні оцінки? Час покаже…