Элементы жизни

Наталия Теряева

Никто из нас не пытается разглядеть в себе элементарные частицы, из которых состоим мы все и всё, что окружает нас. Да это и невозможно. Но совершенно определенно, эти элементарные частицы управляют нами и всем, что нас окружает. Почему и как они это делают, рассказывает эта книга.

Глава 2. Удивительная радиоактивность

Вначале было… поле

Считается, что Вселенная появилась около 14 миллиардов лет назад. Так утверждает общепринятая сегодня космологическая модель Вселенной. Согласно современным представлениям, возраст Вселенной — это максимальное время, которое измерили бы часы с момента Большого взрыва до настоящего времени, если бы в момент Большого взрыва кто-нибудь засек время на этих часах. А поскольку в момент творения на месте события свидетелей не было, то хронология развития Вселенной оценивается с помощью косвенных признаков. Современная наука располагает, как минимум, тремя надежными способами оценки возраста Вселенной.

Первый из них отталкивается от возраста старейших во Вселенной звезд — белых карликов. Возраст белых карликов можно оценить, измеряя их яркость. Самые старые белые карлики — более холодные и потому менее яркие. Обнаружив слабо светящийся белый карлик, можно оценить продолжительность времени, в течение которого он охлаждался. Эту оценку проделали Освальт, Смит, Вуд и Хинтцен. Свои результаты они опубликовали в 1996 году в журнале «Nature». По их данным, возраст звёзд основного диска Млечного пути составляет около 9,5 миллиардов лет. Вселенную же эти ученые сочли минимум на 2 миллиарда лет старше звёзд диска Млечного пути, то есть более 11,5 миллиардов лет.

Второй способ узнать возраст Вселенной — оценить возраст самых старых шаровых скоплений звёзд. Этот метод с девяностопятипроцентной вероятностью показал, что возраст Вселенной больше, чем 12,1 миллиардов лет.

И, наконец, возраст Вселенной можно узнать, оценив длительность жизни химических элементов. Для этого используют явление радиоактивного распада — оно дает возможность определить возраст определённой смеси изотопов. Ведь каждый химический элемент, встречающийся на Земле, чаще всего представляет собой смесь своих изотопов.

Химические элементы появились во Вселенной лишь на самых поздних этапах ее существования. А в начале всего сущего не было ничего, то есть совсем ничего — даже пустоты не существовало. Потому что пустоту можно ощутить, когда есть ее противоположность — наполненность чем-нибудь. Что же тогда было, когда не было ничего?

Случилась инфляция, считают физики-теоретики. Не удивляйтесь! То самое знакомое нам в быту и неприятное понятие, влекущее за собой ухудшение жизни государства и отдельных его граждан, оказалось виновником появления нашей Вселенной. И было это, как в сказке.

Нечто — назовем его полем — каким-то образом было распределено в некоем пространстве. И вдруг в одной точке этого поля (физики назвали поле инфлатонным от слова «инфляция») случайно, по неизвестной причине, образовалась флуктуация (от лат. Fluctuatio — отклонение от среднего значения) — что-то вроде крошечного прыщика размером 10^—33 см. Если вспомнить, что масса элементарной частицы под названием протон (ядра атома водорода) равна 10^—13 см, то становится ясно, что прыщик, давший начало Вселенной, был во столько же раз меньше протона, во сколько раз невидимый глазу протон меньше Луны. Зато теперь Луна по отношению к современной Вселенной имеет примерно тот же размер, что имел первоначальный прыщик в сравнении с ядром атома водорода. Но не будем отвлекаться от инфляционной теории появления Вселенной.

Итак, случайный прыщик почему-то стал набухать и увеличил свой размер на целых шесть порядков, то есть в миллион раз — до 10^—27 см. Это были первые мгновения жизни нашей Вселенной. На таком масштабе размера флуктуации уже действуют известные сегодня человечеству основные законы физики. Они-то и нарисовали ученым картину происшествия, названного Большим взрывом. Оказывается, достигнув размера 10^—27 см, согласно физическим законам, прыщик (то есть флуктуация) начинает очень быстро увеличиваться в размерах, а инфлатонное поле стремится занять положение, в котором его энергия минимальна.

Звучит сложно, но представить себе это очень просто. Вообразите снежное плато, заканчивающееся крутым склоном. Дунул ветер в сторону склона, появился крошечный холмик снега, спрессовался в снежок. Ветер снова подул, снежок оторвался от плато и покатился по склону, устремляясь вниз — там его потенциальная энергия будет минимальной. Снег налипает на снежок, снежок быстро растет в размерах. И чем круче склон, тем стремительнее катится, катится и растет, растет снежок… И вот он уже целой лавиной низвергается вниз… и в конце-концов рассыпается в снежную пыль.

Такую живописную картину нарисовал Сергей Рубин, рассказывая об инфляционной теории расширения Вселенной, предложенной всего 30 лет назад российским физиком А. Старобинским и американцем А. Гутом — автором физического термина «инфляция».

Лавинообразно, всего за 10^—35 секунды, первоначальный прыщик вырос в 10²⁷ раз, и Вселенная уже оказалась размером в 1 см. Прыщ созрел, инфляция закончилась. Но накопленная во время созревания и роста кинетическая энергия требовала выхода. Она нагрела и взорвала набухший до предела прыщ — сантиметровую Вселенную. Этот взрыв кинетической энергии, названный Большим взрывом, при невообразимо высокой температуре родил первые частицы нашего мира, которые начали разлетаться во все стороны. И разлетаются они до сих пор. Так что наша Вселенная продолжает расширяться.

Инфлатонное поле и сейчас продолжает существовать и флуктуировать. Но только мы, наблюдая процесс изнутри Вселенной, не в состоянии увидеть ни инфлатонное поле, ни его другие отклонения: маленькая область всего лишь одной флуктуации превратилась в нашу колоссальную Вселенную, границ которой не может достигнуть даже свет.

Сразу после окончания инфляции внутренний наблюдатель (если бы он был) увидел бы Вселенную, заполненную энергией в виде частиц и квантов света — фотонов. Если всю энергию, которую мог бы измерить наблюдатель, перевести в массу частиц, то мы получили бы примерно 10⁸⁰ кг. Представить себе это огромное число трудно, но возможно. И вот как мы это попытаемся сделать.

Американский исследователь Роберт Фрейтас в своей монографии «Наномедицина» подсчитал, что во взрослом мужчине весом 70 кг 300 г содержится примерно 6,71 • 10²⁷ атомов. На планете Земля живет почти 7 • 10⁹ людей. То есть атомов в организме каждого из нас больше, чем жителей Земли, в миллиард миллиардов раз. Число, чуть большее 10⁸⁰, получится, если три раза перемножить между собой число атомов в человеческом организме — именно столько килограммов весят все частицы, наполняющие собой нашу Вселенную.

Факт расширения Вселенной 70 лет назад обнаружил американский астрофизик Эдвин Хаббл. Он заметил, что красный свет от далеких галактик имеет более интенсивный цвет, чем красный свет от галактик более близких. Возникло предположение, что более далекие галактики удаляются с большей скоростью. Наблюдения показали, что удаляются друг от друга не звезды и даже не отдельные галактики, а целые скопления галактик, Потому что звезды и галактики связаны друг с другом гравитационными силами и образуют устойчивые структуры. И в каком направлении ни посмотришь, кажется, что скопления галактик разбегаются от Земли с одинаковой скоростью и что наша галактика является центром Вселенной. Но это только кажется. Из-за того, что Вселенная расширяется, наблюдатель в любой точке космического пространства увидит одну и ту же картину — все галактики удаляются от него.

Этот, казалось бы, простой астрономический факт заставил полностью пересмотреть все космогонические концепции — так ученые называют теории возникновения и развития Вселенной. Появилась новая физика — физика возникающих и исчезающих миров.

Логика подсказала, что разлет вещества во Вселенной обязан иметь начало. Значит, все галактики должны отправиться в разные стороны из одной точки — точки Большого взрыва. И отзвуки Большого взрыва должны были сохраниться до наших дней. Но в каком виде — никто не знал. И потому никто не искал. Отзвуки обнаружили в 1964 году американские радиоастрономы Р. Вильсон и А. Пензиас в виде реликтового электромагнитного излучения с температурой около 3° по шкале Кельвина (-270°С). Именно это неожиданное открытие подтвердило предсказанный теоретиками Большой взрыв, породивший Вселенную.

Теория Большого взрыва позволила разобраться во многих загадках. Но еще больше загадок остались неразгаданными. А к ним добавились и новые. Например, теория предсказывала для Вселенной размер всего в 1 см, но мы-то воочию видим, каковы истинные размеры этого космоса. Непонятна была и причина чудовищного начального разогрева Вселенной до температуры более 10¹³ К. Одним словом, теория Большого взрыва требовала развития и уточнения. Прорывом в космологии и астрофизике стала теория инфляции — самое значительное открытие астрофизики за последние 30 лет.

Решающие предсказания, блестяще подтвердившиеся экспериментами, сделали о стадии инфляции Вселенной российские физики Алексей Старобинский и Вячеслав Муханов, за что в 2009 году они получили одну из самых престижных наград в астрофизике — премию Tomalla Prize. До этой пары наших соотечественников ее удостоился лишь один российский физик-теоретик — Андрей Сахаров.

Очень много любопытного и фантастического открыла теория инфляции Вселенной. Как рассказывал Алексей Старобинский журналистам, для доказательства своей теории он, подобно палеонтологу, пытавшемуся в вечной мерзлоте отыскать кости доисторических животных, искал «кости», которые должны были остаться от ранней Вселенной. «Что такое найти в грунте кость в буквальном смысле? — пояснял А. Старобинский в одном из интервью [5], — Это означает среди песка или почвы наткнуться на неоднородность. Было предположение, что такие же неоднородности со специфической структурой во Вселенной от инфляции обязательно остались».

Воспользовавшись моделью Старобинского инфляции Вселенной, Вячеслав Муханов предположил, что все, что мы видим и ощущаем во Вселенной, и даже то, чего мы не видим и не ощущаем, — то есть все структурные элементы нашего мира — все это образовалось благодаря квантовым флуктуациям: отклонениям от среднего на квантовом уровне, уровне микромира. Муханов доказал, что на стадии ускоренного расширения Вселенной квантовые неоднородности усиливаются ровно настолько, насколько это нужно для того, чтобы впоследствии из них получились галактики и другие структуры во Вселенной. Без них наша Вселенная напоминала бы собой пустыню. Так микромир определил развитие макромира.

По мнению Вячеслава Муханова, Вселенная является очень мощным усилителем, который растягивает и преобразовывает ничтожно маленькие флуктуации, существующие в микроскопических масштабах, в галактики и даже в гораздо большие структуры. То, что обычно считалось важным лишь в масштабе размеров атома, оказалось существенным в колоссальных масштабах.

В 1979 году Алексей Старобинский сделал очередное предсказание: должен быть ещё один реликт стадии ускоренного расширения Вселенной, а именно огромной длины гравитационные волны, которые могли рождаться только на этой стадии. Если космический телескоп Планк (Plank) сможет этот реликт измерить и показать, то это станет окончательным подтверждением инфляционной модели, последним штрихом, завершающим общую картину.

В представлении многих космология еще недавно была чем-то вроде натурфилософии. Экспериментальных данных каких-нибудь сорок лет назад было очень мало — уровень технического развития даже самых могучих стран тогда был недостаточным для создания мощных космических телескопов. В 1980-е годы все очень хотели, но никак не могли найти флуктуации реликтового излучения. Одним из первых инициаторов их поиска на радиотелескопе РАТАН-600 в СССР, на Северном Кавказе, был физик-теоретик, академик АН СССР Яков Зельдович. Но из-за недостаточного уровня чувствительности радиотелескопа, советские ученые флуктуаций не нашли. Их обнаружил в 1992 году американский спутник СОВЕ, за что лидер работавшей со спутником исследовательской группы Джордж Смут получил Нобелевскую премию по физике.

С этого и началась эпоха значительных космологических измерений, подтверждавших предсказания теории инфляции. Независимо обнаружился и еще один неожиданный факт. Наблюдения удалённых сверхновых звезд выявили недостающее вещество Вселенной — целых 70 процентов ее объема. Оно затаилось в виде темной энергии.

Космология преподнесла много сюрпризов. Один из них состоит в том, что наша Вселенная — вовсе не единственная. Это следствие инфляционной теории. В 1984 году Алексей Старобинский разработал стохастический подход в теории инфляции — предположил, что инфлатонное поле описывается случайным потенциалом. Это означает, что флуктуации в инфлатонном поле могут возникать случайно и в любом его месте. Российский физик Андрей Линде, ныне работающий в Стэнфордском университете, в 1986 году продолжил эту мысль Старобинского: если флуктуации могут возникать случайно и где угодно, то они могут возникать в любой момент и не однажды, а происходят постоянно — вечно.

Если вернуться к снежной аналогии рождения Вселенной, то легко себе представить, как постоянные порывы ветра сгребают в поле не один крепкий снежок и не один сугроб. Каждый из таких снежков может оказаться на крутом обрыве и, комом скатываясь вниз, давать жизнь своей вселенной, с ее специфическими параметрами — потому что траектории снежных комов будут разными. Разные вселенные могут существенно отличаться друг от друга. Свойства нашей Вселенной поразительным образом приспособлены к тому, чтобы в ней возникла разумная жизнь. В этом ученые находят проявление так называемого антропного принципа: Вселенная создана для человека. Другим вселенным, наверное, повезло меньше, поэтому мы о них ничего не знаем.

«Вывод о вечной инфляции, полагаю, нужно понимать в таком же общефилософском смысле, как и тезис о вечности материи. Где-нибудь в пространстве и где-нибудь во времени всегда можно найти миры (вселенные), находящиеся на инфляционной стадии, — так охарактеризовал год назад это достижение Андрея Линде Алексей Старобинский. — И поэтому сейчас полностью исчезли иллюзии о возможности однократного божественного сотворения мира. Это было ещё как-то возможным, когда все думали об одном Большом взрыве как о рождении одной Вселенной. А сейчас, когда мы понимаем, что таких вселенных и больших взрывов бесконечное количество, то становится невозможно обсуждать сотворение всего этого единым богом».

Первые мгновения творения

Жизнь Вселенной сегодня принято делить на несколько периодов:

— 10^—45 — 10^—35 с после Большого взрыва. Вселенная начала расширяться и охлаждаться. В этот период гравитационное взаимодействие отделилось от остальных фундаментальных взаимодействий.

— 10^—35 — 10^—32 с после Большого Взрыва. Вселенная преимущественно заполнена излучением, но уже начинают образовываться кварки, электроны и нейтрино.

— 10^—32 — 10^—12 с после Большого Взрыва. Температура Вселенной всё ещё очень высока. Поэтому электромагнитные взаимодействия и слабые взаимодействия пока представляют собой единое электрослабое взаимодействие. При очень высоких энергиях образуются экзотические частицы — W-бозон, Z-бозон и бозон Хиггса.

— 10^—12 — 10^—6 с после Большого Взрыва. Электромагнитное, гравитационное, сильное и слабое взаимодействия эволюционируют к их современному состоянию. Температуры и энергии все еще слишком велики, чтобы кварки группировались в адроны.

— 10^—6 — 1 с после Большого Взрыва. Кварк-глюонная плазма охлаждается, и кварки группируются в адроны, образуя протоны и нейтроны. Примерно через 1 с после Большого Взрыва нейтрино высвобождаются и начинают свободно двигаться в пространстве. Сегодня эти частицы ведут себя аналогично фоновому реликтовому излучению, которое возникло значительно позже них.

— 1 с — 3 мин после Большого Взрыва. Материя достаточно охладилась для образования стабильных протонов и нейтронов (нуклонов). Начался процесс первичного нуклеосинтеза (синтеза ядер). За это время образовался первичный состав звёздного вещества: около 25% гелия-4, 1% дейтерия, следы более тяжёлых элементов до бора и водород.

— 379 000 лет после Большого Взрыва. Вселенная стала достаточно холодной (3000° К) для образования атомов. Из состояния плазмы материя перешла в газообразное состояние. Тепловое излучение той эпохи мы можем наблюдать в наше время в виде реликтового излучения. За счёт гравитационного притяжения вещество во Вселенной начинает распределяться по обособленным скоплениям (кластерам). Предполагается, что первыми плотными объектами в тёмной Вселенной были квазары. Затем начали образовываться ранние формы галактик и газопылевых туманностей. Появляются первые звёзды, в которых происходит синтез элементов тяжелее гелия.

— 8—9 миллиардов лет после Большого Взрыва. Начали образовываться структуры, соизмеримые по масштабу с нашей Солнечной системой. Звезда, которую мы называем Солнцем, появилась относительно поздно. Есть гипотеза, что часть массы Солнца включает в себя остатки более ранних звёзд.

Из всего этого явствует, что первые химические элементы во Вселенной появились между первой секундой и третьей минутой ее существования. Ими стали водород (Н) и гелий (Не) — самые легкие элементы в природе. Ядро стабильного водорода (водорода-1 или протия) содержит всего один протон и больше ничего. Есть у водорода два изотопа — водород-2 (дейтерий (D) от греч. Δεύτερον — второй) и водород-3 (тритий (T)). В ядре дейтерия, кроме протона, появляется еще один нейтрон. А в ядре трития вместе с одним протоном живут два нейтрона. Поэтому масса атома дейтерия больше массы атома протия или просто водорода, а тритий тяжелее дейтерия. Дейтерий называют тяжелым водородом, а тритий — сверхтяжелым водородом.

Итак, к протону добавили всего один нейтрон, получили новый изотоп водорода — почти его близнец. Но близнец оказался не вполне похожим на своего братца. Он так же стабилен, как и протий, в том смысле, что его ядро не стремится распадаться — протон и нейтрон мирно сосуществуют до бесконечности. Дейтерий, подобно водороду-1, образует воду, но с химической формулой не Н₂О, а D₂О — ее называют тяжелая вода. Тяжелая вода на вид и вкус ничем не отличается от обычной. И тем не менее, химические реакции в ее среде проходят несколько медленнее, чем в обычной воде, потому что водородные связи с участием дейтерия сильнее связей водорода-1, а потому их тяжелее разорвать. Тяжелая вода имеет большую вязкость, иную проводимость. Это приводит к тому, что попадая в организм человека, такая вода иначе участвует в процессах обмена веществ, чем обычная вода. Поэтому тяжёлая вода считается в слабой степени токсичной. Иногда ее даже называют мертвой водой. То есть протий и дейтерий — вовсе не близнецы, а скорее двойняшки.

В природной воде на один атом дейтерия приходится 6400 атомов водорода-1. Это означает, что в крайне незначительном количестве в любой луже или ручье содержится тяжелая вода. Правда, в этом ничего страшного нет — такая мизерная доля дейтерия совершенно не опасна для здоровья даже при кипячении и выпаривании воды. Между прочим, человек может без видимого вреда выпить даже несколько стаканов чистой тяжёлой воды — весь дейтерий будет выведен из организма через несколько дней.

Тяжёлая вода гораздо менее токсична, чем, скажем, поваренная соль. Есть даже запатентованный метод лечения гипертонии тяжёлой водой в суточных дозах до 1,7 г дейтерия на 1 кг веса пациента.

Еще одно свойство тяжелой воды объясняется тяжестью появившегося нейтрона. Добавленный к протону нейтрон увеличил массу ядра дейтерия по сравнению с протием. Ядро дейтерия стало тяжелым настолько, что может приостанавливать бег летящих на него посторонних нейтронов, как спортивная груша останавливает удар кулака боксера. Поэтому дейтерий в виде тяжёлой воды используют в качестве замедлителя нейтронов в ядерных реакторах. Впрочем, это не единственное применение дейтерия в обыденной жизни. Кроме всего прочего, дейтерий считается ядерным топливом для энергетики будущего, основанной на управляемом термоядерном синтезе.

Если к протону добавить два нейтрона — получаем второй изотоп водорода: тритий. Он уже, в отличие от своих родных братьев, протия и дейтерия, радиоактивен. Радиоактивность означает нестабильность ядра атома, его способность излучать частицы и постепенно превращаться в другой химический элемент. Период полураспада трития — чуть более 12 лет. То есть через 12 лет половина нестабильных нейтронов из трития улетает навсегда. А на протяжении всех 12 лет тритий непрерывно излучает нейтроны. Хулиганит, одним словом.

Радиоактивность ядра атома трития проявляется в излучении этим ядром электронов и нейтрино. Откуда же берутся электроны и нейтрино, спросите вы, если в ядре трития, кроме протона и двух нейтронов ничего не было? Это и есть чудеса микромира — настоящее волшебство.

Оказывается, нейтрон способен превращаться в протон, выбрасывая из себя электрон и нейтрино, как Царевна-лягушка — лягушечью кожу. «Все дело в том, — рассказывает физик-теоретик из Лаборатории теоретической физики Объединенного института ядерных исследований, доктор физико-математических наук Олег Теряев, — что нейтрон совсем чуть-чуть тяжелее протона — всего на 1 процент. Этот один процент образуют масса электрона, масса нейтрино и энергия, которая выделяется, когда электрон и нейтрино покидают нейтрон. Только благодаря этой однопроцентной разнице массы протона и нейтрона мы живем в столь разнообразном мире, составленном из целого множества элементарных частиц. Если бы нейтрон был тяжелее протона не на один, а, скажем, на два процента, то ядра всех атомов, кроме атома водорода, были бы нестабильны и распадались. Тогда в мире остался бы лишь один химический элемент — водород. Потому что его ядро состоит из одного протона и не содержит нейтронов (в ядра других элементов нейтроны входят). А если бы протон был тяжелее нейтрона, то во Вселенной не было бы вообще ни одного химического элемента. Отчего? Оттого что протоны в этом случае притягивали бы электроны с орбиты своего же атома и, взаимодействуя с ними, превратились бы в нейтроны. Тогда весь мир состоял бы только из нейтронов».

Еще раз поразимся тому, что мир, в котором мы живем, — невероятное чудо творения. Все параметры нашей Вселенной подобраны так, чтобы жизнь в ней могла существовать во всем ее разнообразии. Короче: наша Земля и мы сами — это антропный принцип в действии.

Почему одни элементы есть в природе, а других — нет

То, что на Земле существуют железо и медь, люди знали еще несколько тысяч лет назад. Потому, что видели и то, и другое своими глазами и использовали для своих нужд. Если мы можем видеть что-то ежедневно, значит, по нашим меркам, это что-то существует вечно. А вечно ли живут химические элементы, и существует ли для них вечность?

Только через 379 тысяч лет после Большого Взрыва Вселенная охладилась настолько, чтобы из протонов, нейтронов и электронов во всех возможных их сочетаниях стали образовываться атомы химических элементов.

Из состояния плазмы вещество переходило в газообразное состояние. Сохранившееся тепло той эпохи до сих пор доходит до нас из космических далей в виде реликтового излучения. Силы гравитации заставляли сбиваться появившееся вещество в обособленные скопления — кластеры. Считается, что первыми плотными объектами Вселенной были квазары. Затем начали образовываться ранние формы галактик и газопылевых туманностей. Постепенно появлялись первые звёзды, в которых происходил синтез химических элементов тяжелее гелия. Эту гипотезу подтвердила находка Ричарда Эллиса из Калифорнийского технологического института (в просторечии — Калтех). 11 июля 2007 г. на 10-метровом телескопе Keck II он обнаружил 6 звёздных скоплений, которые образовались 13,2 миллиардов лет тому назад. Значит, они возникли, когда Вселенной было всего 500 миллионов лет.

Спустя 8—9 миллиардов лет после Большого Взрыва стали появляться структуры, соизмеримые по масштабу с нашей Солнечной системой. Дающая Земле жизнь звезда по имени Солнце образовалась относительно поздно. Существуют догадки, будто часть массы Солнца представляет собой остатки более ранних звёзд.

Но вернемся к элементам и радиоактивности. Сколько элементов образовалось вследствие Большого взрыва, человечеству доподлинно неизвестно. Физики предполагают, что природа создала до трехсот химических элементов. Большая часть из них оказались короткоживущими и в процессе радиоактивного распада исчезли, превратившись в те элементы, которые живут вечно. Именно они, вечные (по меркам человека), и окружают нас сегодня на Земле.

Вечным мы обычно считаем то, что наблюдаем всю жизнь и что помнят еще наши дальние предки. Но в случае с химическими элементами такое понимание вечности не подходит. Обычно химический элемент, встречающийся в природе, состоит из нескольких изотопов, часть которых радиоактивна. К примеру, щелочной металл калий с атомной массой 39,098 — номер 19 в таблице Менделеева — является смесью трех изотопов: двух стабильных ³⁹К и ⁴¹К и радиоактивного ⁴⁰К. Попутно имеет смысл напомнить, что атомная масса дает представление о количественном соотношении изотопов в этой смеси, поскольку является средним значением атомной массы изотопов с учетом их процентного содержания. Число 39,098 говорит нам о калии, что в природной смеси присутствует больше всего изотопа ³⁹К. Остальные два изотопа калия там представлены в крайне незначительных количествах.

Радиоактивный изотоп калия ⁴⁰К имеет период полураспада 1,32 миллиарда лет (чем для человечества не вечность?). Распадаясь, он превращается в стабильный кальций ⁴⁰Сa и инертный газ аргон ⁴⁰Ar. Часть аргона не уходит в атмосферу, накапливаясь в содержащих калий минералах. По накопленному количеству аргона в породе и количеству оставшегося там радиоактивного изотопа калия можно определить возраст слоя, где залегает минерал. Зная, сколько времени нужно для превращения половины атомов калия в аргон (период полураспада) и сколько атомов аргона присутствует в изучаемой горной породе, составляют простую арифметическую пропорцию и получают искомый возраст. Калий-аргоновый метод используется палеонтологами для определения абсолютного возраста горных пород, а значит и находок, содержащихся в них.

Метод радиоизотопных датировок позволил установить возраст Земли: 4,6 — 5 миллиардов лет. Эти цифры получены, исходя из предположения, что горные породы и минералы, обнаруженные на поверхности Земли, не могли быть свидетелями образования планеты. Максимальный возраст Земли ограничен возрастом самых ранних в Солнечной системе тугоплавких метеоритных включений, содержащих кальций и алюминий. По результатам современных исследований ураново-свинцовым изотопным методом, возраст калициево-алюминиевых включений из упавшего в Мексике 8 февраля 1969 года метеорита Альенде (принадлежащего к классу углистых хондритов) составляет 4568,5±0,5 млн. лет. На сегодняшний день это лучшая оценка возраста Солнечной системы. Земля могла сформироваться позже этой даты на миллионы и даже многие десятки миллионов лет, но никак не раньше.

Это означает, что элементы, которые живут существенно меньше 4,6 миллиардов лет, могли не дожить до появления человека на Земле. Поэтому мы о них ничего не знаем.

Радиоизотопный метод помог наполнить датами историю развития жизни на Земле. Ведь до появления этого метода календарь событий, происходивших на нашей планете, был относительным. Относительный возраст горных пород геологи вычисляли с помощью данных палеонтологов, изучавших останки растений и животных.

Палеонтологи разделили историю Земли на отрезки времени. Два самых масштабных интервала (эона) — докембрий и фанерозой. Самый древний — докембрий. В этот период существовали только мягкотелые организмы, не оставившие следов в осадочных породах. Фанерозой начался около 542 млн лет назад «кембрийским взрывом» — появлением множества видов моллюсков и других организмов, «наследивших» своими ископаемыми остатками в нынешних пластах пород.

Эоны ученые разделили на эры, эры — на периоды. Если в пласте известняка геологи находили панцирь трилобита, то уверенно утверждали, что известняк образовался в палеозойскую эру, когда жили эти существа. Крупнейшие месторождения угля в Донбассе и Кузбассе образовались в каменноугольном периоде палеозойской эры фанерозоя, когда появились деревья и пресмыкающиеся. Поволжские крупные месторождения нефти заключены в породах, которые отлагались во время предшествовавшего каменноугольному девонского периода палеозойской эры, когда вышедшие на сушу рыбы трансформировались в земноводных, а растения стали размножаться спорами. Знаменитые месторождения фосфоритов в Южном Казахстане приурочены к осадкам морей кембрийского периода, самого раннего периода палеозоя — эпохи «кембрийского взрыва».

Разложив остатки растений по «полочкам» пластов осадочных пород, ученые смогли разобраться, какие из пород старше или моложе, и составили относительную геохронологическую шкалу исторических событий на Земле, точные даты в которой появились на основании исследований пород радиоизотопными методами:

Вот так радиоактивность открыла нам прошлое Земли и объяснила, отчего человеку с момента появления его на планете были доступны только 92 химических элемента. Остальные элементы люди сделали сами. Одни — из любопытства другие — по необходимости, а некоторые — из политических соображений.