Цикл начинается с лобового столкновения двух быстро движущихся протонов и их соединения путем туннелирования, преодолевающего электрическое отталкивание. В итоге один из протонов превращается в нейтрон и образовавшееся ядро дейтерия испускает позитрон и нейтрино. Далее в ядро дейтерия туннелируется еще один протон, формируя ядро гелия-3 (два протона и один нейтрон). Наконец, два ядра гелия-3 сталкиваются и сливаются, почти сразу же отделяя два протона и образуя ядро гелия-4 (два протона и два нейтрона[91]). Как и в CNO-цикле, в итоге четыре протона превращаются в одно ядро гелия-4, высвобождая энергию. Однако важнее всего то, что протон-протонный цикл может успешно осуществляться при температуре внутри Солнца и порождать нужное количество энергии. Оба процесса превращения водорода в гелий известны астрономам как примеры «горения» водорода. Это не горение в традиционном понимании, не химическое соединение веществ с кислородом (в этом смысле водород горит в кислородной среде, образуя воду). Ядерное «горение» высвобождает намного больше энергии, чем химическое. CNO-цикл представляет собой основного поставщика энергии для звезд с внутренней температурой свыше 20 млн К и массой в полтора и более раз большей, чем у Солнца. Протон-протонный цикл относительно эффективен уже при температуре 15 млн К, но именно относительно. Как уже упоминалось, внутри Солнца лишь один из ста миллионов протонов движется с достаточной скоростью для запуска этого цикла, и даже у этих частиц не каждое столкновение приводит к слиянию. По мере того как ученые все больше сходились во мнении, что Солнце действительно в основном состоит из водорода, астрономы вынуждены были рассматривать значительно расширенную временную шкалу Вселенной, а геологи получили возможность сказать: «Ну вот, мы же говорили!»
Каменный век
С точки зрения современного понимания состава Солнца, скорость высвобождения энергии с помощью протон-протонного цикла подсказывает нам, как долго такая звезда, изначально состоящая преимущественно из водорода, способна светить более или менее стабильно, прежде чем большая часть водорода превратится в гелий и изменит ее структуру и вид. Можно подсчитать, что Солнце в его привычном для нас виде способно существовать примерно 10 млрд лет. Да, проблема временной шкалы отпала. Но на каком отрезке этих десяти миллиардов мы находимся сегодня? Здесь в игру вступают геологи и радиохимики.
Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди сделали два ключевых открытия относительно радиоактивности: что она заставляет один элемент превращаться в другой и что для каждого радиоактивного элемента существует свой период полураспада. При распаде каждого радиоактивного элемента образуется специфический набор других элементов, известных как продукты распада. Некоторые из них тоже радиоактивны и продолжают распадаться. Когда в лабораторных условиях было изучено достаточное количество радиоактивных процессов, ученые научились анализировать природные материалы, например камни, измеряя соотношения присутствующих в них продуктов распада и определяя, какие радиоактивные элементы содержались в них когда-то (даже если все они уже давно распались). Сегодня возможно при определенных условиях узнать, когда именно в камне присутствовали эти исходные радиоактивные элементы, то есть сколько ему лет.
У некоторых радиоактивных элементов период полураспада очень короткий, и в природном виде их на Земле уже не осталось. У других, например урана и тория, он настолько длинный, что их осталось еще довольно много, несмотря на то что они распадаются с момента образования Земли, сформировавшейся, как мы теперь знаем, из остатков предыдущих поколений звезд, внутри которых эти элементы и были созданы. Если в каменной породе присутствует, например, уран и его соединение с продуктами распада, скажем радием, то по количеству каждого из элементов можно оценить возраст камня. Важно понять отношение каждого вещества к радиоактивному – допустим, свинца к урану. Изящество этого приема заключается в том, что он не зависит от реального количества наличествующих веществ, лишь бы их было достаточно для проведения измерений; важны лишь их пропорции. Получившийся возраст определяется разнообразными факторами, например способом формирования породы (вулканическим и другими); но, разумеется, Земля древнее самого древнего камня, который можно так проанализировать.
Первым этот анализ применил в начале XX века сам Резерфорд, а также американский химик Бертрам Болтвуд[92]. Уже в 1904 году Содди, тогда работавший в Лондоне с Уильямом Рамзаем, измерил скорость образования гелия при распаде урана. Резерфорд, находившийся в Канаде, понял, что это пример альфа-распада, если в процессе распада образуются альфа-частицы (ядра гелия) и каждая притягивает из окружающей среды пару электронов, формируя атомы гелия. Он взял образец урановой руды и измерил количество содержавшегося в нем остаточного урана и гелия. Предположив, что с момента образования породы гелий из нее не уходил, он смог оценить возраст конкретного камня в 40 млн лет. Однако Резерфорд хорошо знал, что на самом деле гелий за эти годы наверняка частично улетучился из руды, поэтому получившаяся величина – это минимальный возможный возраст этой породы (а значит, и нашей Земли). Тем не менее это был важный момент для понимания возможностей радиоактивного анализа.
Болтвуд вдохновился этой темой в том же 1904 году, прослушав лекцию Резерфорда в Йельском университете. Болтвуд знал, что при распаде урана образуется не только гелий, но и радий, а в 1905 году открыл, что распад радия в итоге порождает свинец. Измерив соотношение элементов в этой цепочке распада, он смог оценить возраст различных образцов породы. Его первые оценки, сделанные в том же году, простирались от 92 до 570 млн лет. К сожалению, все они оказались неверны, поскольку основывались на неточных измерениях и неверной оценке периода полураспада радия. Но к 1907 году эти болезни роста были преодолены и удалось более точно указать возраст образцов, которым оказалось от 400 млн до, только представьте себе, двух миллиардов лет! Это превышало указанный Кельвином возраст Земли (все еще уважаемый в астрономической среде, несмотря на противоречие с идеями Дарвина) более чем в десять раз. Но, как часто бывает с подобными открытиями, геологи отнеслись к полученным числам с недоверием, и, поскольку в дальнейшем Резерфорд и Болтвуд перешли к другим исследованиям, радиоактивный анализ так и не воспринимался всерьез до тех пор, пока титанический труд британца Артура Холмса[93] не доказал убедительно его точность.
Холмс поступил в Лондонский королевский научный колледж в 1907 году. На последнем курсе он в рамках выпускного проекта провел оценку породы девонского периода, привезенной из Норвегии, и получил возраст, равный 370 млн лет. Закончив обучение, Холмс устроился на полгода геологом в Мозамбик, желая раздать студенческие долги, а затем вернулся в Королевский колледж (сегодня он называется Имперским) и в 1917 году защитил там докторскую диссертацию. До 1924 года он работал геологом в Бирме, а затем вновь вернулся к научной деятельности, вначале как преподаватель геологии в университете Дарема, потом в Эдинбургском университете. Автор авторитетного учебника «Основы физической геологии» и один из первооткрывателей дрейфа материков, Холмс был одним из самых влиятельных геологов XX века.
Работая в Имперском колледже, Холмс датировал множество образцов камней с помощью описанного приема и обнаружил, что самому старому около 1,6 млрд лет. Кроме того, еще в 1913 году он стал первым, кто применил радиоактивную датировку к окаменелостям и смог оценить абсолютный возраст останков древних животных и растений. Постепенно у него сформировался впечатляющий объем исследований, производимых с большим трудом и тщанием (благодаря его знаниям и с большой точностью), и геологическое сообщество наконец-то согласилось с его оценкой возраста Земли как очень значительного. В 1921 году в рамках дискуссии на ежегодной встрече Британской ассоциации содействия развитию науки геологи, ботаники, зоологи и физики смогли прийти к единому пониманию возраста Земли как исчисляемого несколькими миллиардами лет и признанию радиоактивного анализа дающим наиболее надежные оценки. Пять лет спустя в отчете Национального исследовательского совета Национальной академии наук США этот метод и его результаты были официально одобрены – началась эра радиометрической шкалы времени. С тех пор благодаря уточнениям методов анализа возраст самого древнего из известных земных образцов (сегодня это небольшие кристаллы циркона из Западной Австралии) был отодвинут до 4,4 млрд лет. Эти числа удивительным образом согласуются с возрастом самой старой материи, найденной в метеоритах (каменных образованиях, упавших на Землю из космоса), – 4,5 млрд лет. Поскольку предполагается, что метеориты – это остатки материи, не вошедшие в Солнце и Солнечную систему, все указывает на то, что Солнце и окружающие его планеты, включая Землю, сформировались примерно 4,5 млрд лет назад. В таком случае наше светило находится примерно на середине своего жизненного пути как звезда с горением водорода. В таком случае откуда же взялись исходные радиоактивные элементы, задавшие нам эту шкалу? Как я уже намекал, они создавались внутри звезд. Как именно это происходило, ученым не было ясно вплоть до 1950-х годов.
