Выветривание и размывание — это разрушительные силы, выравнивающие поверхность Земли, Если бы на нее не действовали другие силы, весь мир был бы плоским, так как горы и холмы были бы разрушены за несколько миллионов лет. Однако работают и восстанавливающие силы, которые медленно, но постоянно изменяют поверхность Земли. Внутренние части Земли все время находятся под высоким давлением, так как на них давят вышележащие наружные слои. Иногда это давление уменьшается в одном месте или увеличивается в другом (рис. 8).
Рис. 8. Поверхность Земли подобна куску ткани.
Изменения давления приводят к смещению поверхности вверх и вниз, при этом образуются высокие плато и глубокие впадины. Иногда возникают боковые смещения, тогда поверхность Земли искривляется и образуются горные кряжи и долины, как на куске материи, если сдвигать ее с двух противоположных сторон. Непрерывно происходит смена горообразования и последующего разрушения гор в результате эрозии. Мы живем в период, отделенный только несколькими миллионами лет от времени весьма интенсивного горообразования; вот почему поверхность Земли покрыта в настоящее время горами столь разных размеров. Так, через 50 миллионов лет Земля станет значительно площе и однообразнее, если за это время не произойдет никаких новых горообразовательных процессов.
Радиоактивность — часы Вселенной
Сколько времени продолжалась эта смена горообразования и атмосферной эрозии гор? Как измерить промежутки времени, в течение которых совершались великие геологические события? Для этой цели мы должны применить естественные часы, которые идут так медленно, что по ним можно прочитать долгие промежутки времени. К счастью, природа снабдила нас очень медленным, мерно идущим процессом, который можно использовать для измерения времени. Речь идет здесь о явлении радиоактивности, странном явлении, открытом в 1896 г. французским ученым Анри Беккерелем. Но как же радиоактивность можно использовать в качестве часов?
Когда была открыта радиоактивность, она казалась весьма загадочной, так как опровергала исконную веру всех ученых в неизменяемость химических элементов[8]. Явление радиоактивности показало, что некоторые элементы изменяются. Радиоактивное вещество превращается в другое вещество. Атомы таких элементов распадаются, испуская лучи, и становятся атомами других элементов.
В качестве примера рассмотрим радиоактивный рубидий. Рубидий — сравнительно редкий металл, сходный с натрием и калием. В природе найден рубидий двух сортов (два «изотопа»). Они отличаются друг от друга по весу: один имеет атомный вес[9] 85, другой — 87; радиоактивен более тяжелый изотоп. Кусок чистого Rb87 испускает характерное для него излучение, природа которого для нас сейчас несущественна. (Этот элемент представляет большой интерес для медиков, так как может применяться для лечения рака.) Важнее всего тот факт, что атом Rb87 превращается в атом другого элемента, а именно в атом стронция. Это превращение происходит медленно и непрерывно, с постоянной скоростью, и его нельзя ни ускорить, ни замедлить каким-либо внешним воздействием. Каждый год известная часть рубидия превращается в стронций. Для Rb87 эта часть чрезвычайно мала, она составляет только 1,6·10-11 в год[10]. Это значит, что за год в стронций превращается одна сотая от миллиардной части Rb87. Большинство природных радиоактивных веществ превращается столь же медленно. «Постоянная распада» урана равна 2·10–10 в год, т. е. за год превращаются только две десятимиллиардные части урана. Калий 40, тоже радиоактивный элемент, имеет постоянную распада, равную 0,7·10-9 в год.
Наши знания о радиоактивности значительно углубились после изобретения ускорителей частиц до высоких энергий. В таких устройствах малые частицы ударяют с большими энергиями по атомам разных веществ и производят изменения в этих атомах. Например, при бомбардировке обычно нерадиоактивные элементы превращаются в новые элементы, которые, как правило, не встречаются в природе и очень часто радиоактивны. Таким способом можно производить новые, «искусственные» радиоактивные вещества, очень ценные для физических и медицинских исследований. Большинство из них превращается в другие элементы гораздо быстрее, чем естественные радиоактивные элементы. Например, можно получить радиоактивный натрий (атомный вес 24), который превращается в магний со скоростью 6 % в 1 час.
Возраст материи
Теперь мы приходим к первому фундаментальному заключению о шкале космических времен: Земля не могла существовать бесконечно давно. На Земле есть объекты, которые не могли находиться на ней извечно. Если бы Земля существовала бесконечно длительное время, мы не могли бы обнаружить на ее поверхности радиоактивных веществ, таких, как Rb87, уран и калий. Действительно, если бы возраст Земли был гораздо больше, чем 1010 лет, все естественно-радиоактивные вещества, которые мы перечислили, распались бы почти полностью в свои дочерние продукты и их нельзя было бы обнаружить Мы должны предположить, что процесс, в котором образовались эти элементы, больше не продолжается.
Каков же тогда возраст Земли? Рассматривая постоянные распада природных радиоактивных веществ, мы видим, что все они меньше одной миллиардной в год. Искусственные же радиоактивные материалы, которые мы производим сами, имеют, однако, всевозможные постоянные распада. У некоторых из них постоянные распада очень малы (миллионные доли в год), у других распад происходит очень быстро — например, половина вещества распадается за десятые доли секунды. Найдены всевозможные скорости распада в этих пределах. Однако в природе встречаются только элементы со скоростью распада меньше нескольких биллионных[11] долей в год. Объяснение очень просто: элементы, распадающиеся быстрее, не встречаются в природе потому, что они уже успели распасться[12] за время существования Земли.
Отсюда мы заключаем, что материал, составляющий Землю, существует в его нынешнем состоянии несколько миллиардов лет, во всяком случае не многим более. Естественный радиоактивный элемент с наименьшим временем распада, К40 (скорость распада — одна миллиардная в год), почти израсходовался; его содержание в естественном калий очень невелико (0,12 %). Поэтому «возраст» материала, составляющего нашу Землю, должен несколько превышать миллиард лет, быть может, он в 5 или в 10 раз больше, но не многим более.
Это был знаменательный момент в истории нашего познания мира, когда здесь, на Земле, мы нашли доказательство того, что Земля не существует извечно. Радиоактивные вещества — это только маленькая часть материала Земли. Они встречаются исключительно редко. Но само их существование свидетельствует о каком-то начале.
Что же происходило в этом начальном периоде? Конечно, Земля не могла находиться в состоянии, напоминающем нынешнее. В то время вещество, из которого состоит Земля, должно было находиться в условиях, обеспечивающих образование радиоактивных элементов. Такие условия мы создаём в наших больших ядерных ускорителях. Частицы и атомы должны были обладать огромными энергиями, их плотности достигали колоссальных величин, и сами они сталкивались друг с другом на больших скоростях. Температуры, при которых создаются эти условия, имеют порядок 100 миллионов градусов. У нас есть веские основания полагать, что такие условия существуют в центрах звезд, но не при обычных обстоятельствах, а когда звезды становятся неустойчивыми и взрываются. Взрывающиеся звезды называются новыми, потому что они внезапно появляются на небе и быстро, за несколько месяцев, тускнеют. Они встречаются не так уж редко. С помощью наших гигантских телескопов мы ежегодно можем найти 20 или 30 таких звезд среди 50 000 000 000 звезд Галактики[13]
Итак, мы приходим к заключению, что материал, из которого состоит Земля, должен был подвергаться огромному ускорению и нагреванию (вероятно, во взрывающихся звездах) в период, закончившийся 5—10 миллиардов лет назад. Мы можем считать, что эти процессы обеспечили создание элементов, из которых состоит наше окружение[14]. К этому времени относится образование многих радиоактивных и нерадиоактивных элементов, в том числе тех, которые мы можем сделать в наших ускорителях, а также некоторых других. Но с тех пор радиоактивные вещества с короткими временами распада давно распались и превратились в устойчивые, стабильные, элементы. Немногие долгоживущие естественные радиоактивные вещества — это последние свидетели того богатого событиями времени, когда образовались элементы — те элементы, из которых состоит Земля. Это последние искры, оставшиеся после величественного космического пожара, который 10 миллиардов лет назад создал элементы, окружающие нас на Земле.
8
Химические элементы — это материалы, из которых построены все вещества. Элементами являются железо, золото, кислород, сера, углерод и т. д. Мы узнаем о них гораздо больше в гл. III. Явление радиоактивности значительно подробнее рассмотрено в гл. VII.
9
Атомным весом элемента называется вес его атома, выраженный через вес наиболее легкого атома — водорода. Атом Rb весит в 85 раз больше атома водорода.
10
Здесь мы пользуемся отрицательными степенями, чтобы выразить очень малые числа. 10-1 означает 0,1; 10-2 означает 1/10· 1/10 = 1/100; 10–11 означает 1/10·1/10… и так одиннадцать раз. Еще можно сказать, что 10-11 = 0,00…1 с одиннадцатью нулями, считая нуль, стоящий перед запятой.
12
Можно указать интересные исключения из этого правила, которые показывают, как легко ошибиться при неверном подходе. В природе существует некоторое количество быстро распадающихся веществ. Однако все они представляют собой «дочерние продукты» медленно распадающихся элементов. Вот что это значит. Иногда продукт радиоактивного распада сам радиоактивен и превращается в какой-то третий элемент. Такой продукт называется «дочерним».
Если распад первого идет очень медленно, а распад второго, дочернего, быстро, в природе всегда будет наблюдаться быстрый распад, следующий за медленным.
13
Вероятность взрыва обычной звезды, такой, как Солнце, не очень велика. Это случается один раз за несколько миллиардов лет. Последний взрыв в нашем окружении (в радиусе 1000 световых лет) произошел в 1750 г.