Як археологи визначають вік історичних знахідок

У сучасному світі багато дивовижних речей, але у світі минулого їх ще більше! Щороку дослідники роблять дедалі більше дивовижних відкриттів у тому, як жили наші предки і як складалася історія Землі, що обчислюється мільйонами років. Однак ви ніколи не замислювалися, як саме вчені визначають вік останків, мумій та різних скам'янілостей, які знаходять? Деякі всерйоз думають, що вони роблять це навмання, але, звичайно, все значно серйозніше. І цікавіше!

Існує безліч методик визначення віку, деякі з яких підходять лише для певних речей на кшталт оцінки керамічних виробів, архітектури тощо. Проте найбільшу популярність мають п'ять цих методів.

Стратиграфія

Це класичний метод датування, який бере свій початок ще у ХІХ столітті. Найчастіше до цього методу вдаються під час розкопок міст та поселень, оскільки у місцях проживання людей ґрунт неминуче підвищується під впливом земляних робіт та будівництва. Те земляне нашарування, що виникає внаслідок людської діяльності, називається «культурним шаром». Кожен такий шар зберігає у собі певний період життя суспільства: стародавні споруди, знаряддя праці, сліди навал чи пожеж тощо.

Як же відбувається саме датування? Шар одного пам'ятника, про який відомо більше (наприклад, завдяки вцілілим літописам) просто порівнюють з новим шаром, який потрібно вивчити. В результаті порівняльного аналізу структури, кольору та складу ґрунту археологи можуть розрахувати за виявленими характеристиками, якому періоду часу вони відповідають.За допомогою стратиграфії можна навіть відновити послідовність певних подій чи розвитку суспільства: при цьому шари одного місця порівнюються один з одним (наприклад, нижній із середнім, середній із верхнім тощо). Нижні шари завжди давніші за верхні, тому використовувати стратиграфію можна тільки на непошкоджених і незайманих людиною шарах. В іншому випадку шари можуть перемішуватися один з одним, що спотворює результати.

Типологічний метод

Замість того, щоб датувати самі шари ґрунту, тут датуються художні особливості, знайдені в них. Адже якщо вдасться визначити вік хоча б одного художнього об'єкта, то буде зрозумілим і той період часу, в якому він існував. Цей метод ґрунтується на складанні типологічних категорій, в які розподіляються всі знахідки. Щоб точно встановити датування, в одній категорії потрібно зібрати хоча б 3–4 археологічні об'єкти одного типу. Визначивши межі періоду, коли могли з'явитися ці об'єкти, можна визначити середній відрізок часу, який і буде періодом існування культурного шару. Однак точність такої датування залежить від кількості речей в одній категорії, яку вдалося знайти, тому підходить цей метод далеко не завжди.

Радіовуглецевий метод

Це найсучасніший і найчастіше використовуваний метод для датування мумій та людських останків, який дозволяє датувати знахідки з максимальною точністю. Він ґрунтується на оцінці вмісту в органіці радіоактивного вуглецю С-14, який вбирають у себе всі живі організми (як дерева, так і люди) разом із звичайним вуглецем із атмосфери. Однак концентрація радіоактивного вуглецю починає знижуватися після смерті організму, оскільки С-14 зазнає розпаду.Наприклад, якщо порівняти вміст С-14 у тисячолітньому дереві та сучасному саджанці, то виявиться, що у молодому деревці ізотопів радіоактивного вуглецю вдвічі більше. Радіовуглецевий метод працює тільки на організмах не старше 70 000 років, тому що за цей час вуглець повністю розпадається. Якщо ж потрібно датувати давніші організми на кшталт динозаврів, то оцінюється берилій-10 або інші ізотопи.

Головний недолік цього методу полягає в тому, що за його допомогою можна датувати лише органічні речовини, тобто для датування історичних об'єктів та артефактів він не підійде. Однак і тут є винятки: наприклад, оцінити вік ікони за допомогою радіовуглецевого методу можна, якщо ікона зроблена з дерева, — для цього достатньо проаналізувати саме її дерев'яний каркас. Також можна використовувати інші органічні елементи речей, наприклад, сліди рослинності на конструкціях і т.д.

Ще одна проблема, яка до цього часу стоїть перед вченими, які використовують радіовуглецевий метод, — необхідність калібрувати отримані дані за шкалою. Адже нещодавно з'ясувалося, що вміст С-14 в атмосфері згодом змінюється. Таким чином, деякі організми можуть виявитися зовсім не такими старими, як вважалося раніше.

Палеомагнітний метод

Оскільки однією з найчастіших знахідок археологів під час розкопок є керамічні вироби, цілком логічно спробувати датувати решту конструкцій саме за їх допомогою. Так і з'явився палеомагнітний метод, що ґрунтується на змінах у магнітному полі Землі та властивості матеріалів намагнічуватися під його впливом під час випалу в печі.

Речовини, що містять залізо, зберігають деяку намагніченість навіть при трансформації рідкого стану в тверде. Також вектор цієї намагніченості співпадатиме з вектором поля Землі в момент утворення речовини. Всі ці дані співвідносять із системою геохронологічних шкал, розроблених палеонтологами. Мінус методу полягає лише в тому, що для такого аналізу підходить лише предмет, який не переміщали після випалу, що, звичайно, зустрічається рідко.

Як визначається вік зірок

Щодо визначення віку космічних об'єктів, то тут, звичайно ж, діють зовсім інші правила та підходи. Зазвичай виділяють такі методи, як свинець-свинцевий, калій-аргоновий та аргон-аргоновий. Свинець-свинцевий дозволяє визначити навіть вік планет Сонячної системи, і саме з його допомогою вченим вдалося встановити, що Земля налічує понад 4,5 млрд. років, коли геохімік Клер Паттерсон виміряв кількість ізотопів свинцю в метеориті, що впав в Аризоні близько 30 тисяч років тому. Таку ж кількість ізотопів Паттерсон потім виявив і безпосередньо в земній породі, тоді як камені в затоці Гудзона в Канаді мають вік близько 4 млн. років. Аналіз місячного каміння також нарахував близько 4,5 млн років. Все це дозволяє встановити певні часові рамки існування нашої планети.

Із зірками справи трохи складніші. Оскільки до зірок від нашої планети відстань не менше 20 000 світлових років, людство не може використовувати для датування безпосередній шматочок їхнього ґрунту. Зате воно може використовувати їхнє світло, яким за допомогою спектроскопа легко визначити хімічний склад зірки!

Немов живий організм, зірка з часом еволюціонує, проходячи особливий життєвий цикл від протозірки до білого карлика. У цих еволюційних змін змінюються і її термоядерні реакції. Наприклад, наше Сонце в основному складається з гелію та водню, а стадія горіння водню - найдовший етап життєвого циклу (він займає майже 90% від усього життя зірки). Також чим вища маса зірки, тим швидше вона проходить свій цикл. Так, вчені дізналися, що нашому Сонцю майже стільки ж, як Землі, — 4,57 млрд років, а Полярній зірці, головній героїні багатьох дитячих казок, всього від 70 до 80 млн. За таким же принципом можна дізнатися і зразковий вік Всесвіту, якщо визначити найстаріші її об'єкти.

Напевно, близький той день, коли дослідники винайдуть нові способи датування як археологічних, так і космічних знахідок. Хто знає, які цікаві деталі ми дізнаємося про навколишній світ тоді?

Поділіться цим із друзями!

Постійний автор HiTecher із 2017 року, журналіст. Педагог CELTA. Бакалавр в галузі управління технологіями State University of New York. Техноентузіаст. Професійно розуміється на фармацевтичній промисловості, а також банківській справі та фінансах. Захоплений криптовалютою та її майбутнім розвитком. Чоловік та майбутній батько, зацікавлений у кращому майбутньому для нашої планети.

Будьте першим, хто залишить коментар

Будь ласка, авторизуйтесь для можливості коментувати

Як вчені визначають вік речей

У повсякденному житті на питання "Коли це сталося?" відповідають календарі, годинники та секундоміри. Але що робити, якщо минуло надто багато часу? Щось сталося так давно, що не було годин, календарів – і навіть людей ще не було.Що робити, якщо спостерігач пропустив старт і бачить тільки фініш - стародавню скам'янілість, античну вазу, зірку на небі або клітину, що зістарилася? Вчені придумали способи вимірювати час без годинника: на допомогу приходять температура, магнітні поля, ізотопи та молекули. Розповідаємо, як це працює.

Спосіб перший: дендрохронологія

Річні кільця дерев – це візерунок, який створює зміни клімату. Цей візерунок залишається на старих будівлях та інших дерев'яних речах та видає їхній вік.

Як працює

Будь-який школяр знає, що вік дерева можна визначити за кількістю річних кілець на спилі. Вони з'являються через те, що влітку дерево росте швидко, а в зимові холоди зростання сповільнюється. Тому на спилі видно чергування широких світлих кілець теплої пори року та вузьких темних – холодної.

Річні кільця пня розповідають не лише про вік спиляного дерева. За ними судять про зміни клімату: один рік міг бути посушливим - і дерево росло повільніше, а друге, навпаки, виявилося дощовим, і дерево здорово вимахало. Тому у дерев, що ростуть в одному регіоні одночасно, з'являється схожий візерунок річних кілець. Вчені складають архіви цих візерунків, потім порівнюють їх із візерунком дерев'яних археологічних знахідок і визначають вік знахідок. Дерев'яний годинник охоплює період більше 8000 років, а його точність досягає 1 року: адже за рік дерево додає лише одне кільце.

Приклад застосування

У Великому Новгороді дендрохронологію використовували для датування стародавніх бруківок. Давним-давно новгородські вулиці були вузькими, три-чотири метри шириною, але мостили їх на славу: вздовж вулиці прокладали три опори з колод діаметром 18-20 см, а зверху настилали товсті колоди, діаметром 25-30 см.Приблизно раз на 20 років ця велика дерев'яна конструкція оновлювалася, і поверх старих колод укладали нові. Такі ось листкові пироги дерев'яних бруківок: у деяких місцях збереглося аж 28 ярусів! Дендрохронологам було де розгулятися.

Річні кільця є і кісток динозаврів (а ще амфібій, рептилій і деяких ссавців). Світлі кільця - це широкі і пухкі шари кісткової тканини, які закладаються в періоди активного росту: навесні та влітку. А взимку утворювалися тонкі та щільні шари. Вдивляючись у кільця динозавра, вчені можуть зрозуміти, як він ріс та розвивався протягом життя.

Спосіб другий: геохронологічний літопис

Для різних геологічних періодів характерні різні копалини тварин та рослини. Майже як у китайському календарі: тільки замість року ера – трилобітів, одноклітинних скам'янілостей тощо. буд. Якщо археолог чи геолог знайшов таку характерну скам'янілість, то й із зразковим віком пласта можна визначитися.

Як працює

Ось лежить перед археологом пласт гірських порід. У цьому шарі він знайшов якусь копалину і намагається вирішити, скільки приблизно років скам'янілості. Встановити геологічну еру йому допоможуть керівні копалини - рослини і тварини, характерні для певного геологічного періоду, але не ні раніше, ні пізніше.

Щоб опинитися на посаді керівної копалини, скам'янілості треба виконати кілька непростих вимог: вона повинна бути легко впізнаваною, часто зустрічатися у відкладеннях, мати широке географічне поширення та вузькі часові рамки існування. Якщо археолог чи геолог побачив у розкопаному шарі акритархи*, отже, він опинився у верхньому докембрії.А якщо наткнувся на панцир вимерлих членистоногих трилобітів, значить, геохронологічний годинник пробив кембрій**.

*Акритархи - мікроскопічні копалини залишки одноклітинних або одноклітинних організмів.

** Кембрій - геологічний період, що почався 540 мільйонів років тому. Про мешканців докембрія знаємо мало, а кембрій характеризується появою маси різноманітних багатоклітинних істот - кембрійським вибухом.

Приклад застосування

2014 року члени павлодарського географічного товариства вирішили з'їздити в невелику експедицію до річки Шидерти. Здавалося б, звичайна річка посеред степу, на березі вапняку, якісь камінці. Але до камінчиків варто було придивитися: деякі з них виявились скам'янілістю стародавніх молюсків-брахіопод. Так-так, у степу, далеко від моря та океану, вчені знайшли залишки морських тварин. Ці скам'янілості наче нашіптують дослідникам, що сотні мільйонів років тому, в далекому-далекому девоні, тут вирував древній океан Тетіс.

Спосіб третій: радіоізотопне датування

Час тече – радіоактивні ізотопи розпадаються. Якщо знаєш, яка частка ізотопу розпалася, знаєш, скільки часу минуло.

Як працює

Керівні копалини, описані у попередньому розділі, - це спосіб виміряти приблизний вік знахідки. Щоб визначити його точніше, вчені використовують радіоізотопне датування. Якщо в об'єкті є радіоактивний ізотоп*, то, виходячи з періоду його напіврозпаду та того, яка частка ізотопу розпалася, можна обчислити вік об'єкта.

*Ізотопи - різновиди одного і того ж хімічного елемента з різним числом нейтронів у ядрі. Бувають стійкі ізотопи, а бувають з часом - радіоактивні.

Найвідоміший різновид цього методу - радіовуглецеве датування. Живі організми разом із їжею поглинають і звичайний вуглець 12С, і радіоактивний 14С. Але коли рослина чи тварина вмирає, вона перестає обмінюватися з довкіллям радіоактивним вуглецем. Залишившись у організмі, він поступово розпадається, яке залишкова частка стає показником віку.

Межа радіовуглецевого датування – 55 000-60 000 років. Але є інші ізотопи, які дозволяють зазирнути у минуле набагато далі. Їх теж застосовують для виміру віку. Наприклад, дуже зручний мінерал – циркон, його використовують для уран-свинцевого датування гірських порід. Циркон містить ізотопи урану, які потім розпадаються на ізотопи свинцю. Точкою відліку - аналогом моменту загибелі тварини для радіовуглецевого методу - вважають кристалізацію циркону при охолодженні лави. Є й інші методи: калій-аргоновий, аргон-аргоновий, свинець-свинцевий.

Приклад застосування

У 1988 році багато шуму наробило повідомлення про радіовуглецеве датування знаменитої християнської святині - Туринської плащаниці. Традиційна версія свідчить, що це полотно зберігає сліди крові розп'ятого Христа, тобто відноситься до I століття нашої ери. Але радіовуглецевий аналіз, проведений у трьох лабораторіях (Оксфордського університету, Університету штату Арізона та швейцарського Інституту технології), показав, що плащаниця значно молодша - років десь на 1200-1300. Приблизно тоді ж, у 1353 році, зафіксовано і першу згадку про святиню.

Спосіб четвертий: спектральний аналіз та гірохронологія

Як зрозуміти, скільки років зірці? Адже неможливо дотягнутися до неї і взяти шматочок для аналізу і датування. Тож доведеться дивитися, як вона світиться і крутиться.

Як працює

Зірки старіють дуже нерівномірно: 90% життя вони не змінюються, а потім різко починають трансформуватися. Уявити це можна так: людина досягла віку 3-4 років, потім 80 років не змінювався і потім за рік посивів, згорбився і помер. Астрономи опинилися у скрутному становищі: дуже складно визначити, скільки ж зірці років.

На щастя, багато що можна розглянути, придивившись до її світла. Якщо розкласти спектр Сонця, вийде веселка із тонкими-тонкими чорними лініями. Це лінії поглинання, які відповідають різним хімічним елементам. По спектральним лініям поглинання можна будувати висновки про склад зірки. Ви запитаєте, до чого тут вік? Справа в тому, що в процесі термоядерної реакції водень у зірці вигоряє, а вміст гелію зростає. А отже, що старша зірка, то більше в ній гелію і менше водню, а побачити це можна по лініях поглинання в спектрі.

*Нагадуємо, що зірка - це гігантський термоядерний реактор, в якому з ядер водню (тобто протонів) синтезуються ядра гелію.

З іншого боку, вік зірки видає її період обертання*. Молода зірка крутиться з деякою швидкістю, яка в міру дорослішання неухильно падає. Одна біда – важко побачити це обертання, потрібні дуже чутливі телескопи. Астрономи використовують як орієнтир сонячні плями. Але зі старими зірками працювати проблематично, бо у них дедалі менше плям. Метод визначення віку зірок обертання називається гірохронологія.

*Зірки, як і планети, обертаються навколо власної осі. Сонце, наприклад, робить один оборот за 30 днів.

Приклад застосування

Спостерігати за обертанням зірок вченим допомагає космічний телескоп "Кеплер" - той самий, який знайшов тисячі екзопланет.Щоб відкалібрувати метод гірохронології, 2011-го вчені з Гарвард-Смітсонівського центру астрофізики простежили за скупченням зірок NGC 6811, якому 1 млрд років. Виявилося, зірки цього скупчення здійснюють оберт навколо своєї осі приблизно раз на 10 днів, як і передбачав метод. Вчені вирішили простежити за старшими зірками скупчення - NGC 6819, їм близько 2,5 млрд років. І знову швидкість їхнього обертання збіглася з теоретичними розрахунками - метод спрацював. Але стрілки гірохронології таки доводиться підкручувати, вносячи коригування для різних груп зірок. Іноді вони крутяться не так, як передбачають розрахунки. Варто ослабнути магнітному полю, як зірка починає "молодитися" - крутитися швидше.

Спосіб п'ятий: палеомагнетизм

Кераміка та інші залізовмісні матеріали – це зламаний компас: вони показують магнітне поле Землі минулого. Тому намагніченість старовин може вказати їх вік.

Як працює

Археологам часто трапляється в руки кераміка: розбиті тисячу років тому глиняні горщики, уламки античних глечиків для вина, тарілки, які колись давно припадали пилом у шафі у наших предків, цеглини. Виявляється, наука здатна розповісти, коли розкопану цеглу обпалили в печі або коли в старому горщику востаннє варили кашу. Справа в палеомагнетизмі: при високих температурах залізовмісні матеріали на зразок глини намагнічуються, а остигаючи, немов "запам'ятовують" напрямок і інтенсивність магнітного поля Землі в даний момент (адже вони постійно змінюються). Відомості, які зберегли горщик або піч у момент випалу, можна проаналізувати та співвіднести з хронологічними шкалами зміни магнітного поля. Так вчені дізнаються про вік стародавньої кераміки з похибкою всього в 10 років.

Приклад застосування

У Забайкальському краї є пагорб, усипаний уламками каменів і шматочками черепиці; на деяких з них видно зелену глазур. спадкоємців великого монгольського хана. яскраво-зеленої черепиці сяяли позолочені диски з драконами, а зі стін похмуро дивилися чудовиська. Знайти ці печі. археологам допоміг палеомагнетизм. черепицю Так ми дізналися трохи більше про середньовічному палаці, від якого залишилися лише черепиця та легенда*.

* Коли в Монголії жив багатий і могутній Тумур-хан. Був у нього син Контой. збудував палац. Але батько сина не пробачив і послав проти. його війська. Красуню Бальжит убили, Контоя полонили, а палац зруйнували.

Спосіб шостий: епігенетичний годинник

Клітини - зрадники гірші за зморшки. У своїй ДНК (і не тільки в ДНК) вони зберігають маркери віку, які не приховаєш.

Як працює

Вчені встановлюють вік клітин ДНК.Справа в тому, що в міру того, як клітина визначається з професією – буде вона нейроном або клітиною судини, – вона змотує непотрібні їй гени в клубки та закріплює їх чимось на кшталт молекулярного скотчу, – метилюванням. Ділянки ДНК, куди навісили метильну групу, стають липкими і склеюються друг з одним. Як правило, чим старіша клітина, тим більше у неї змотаної ДНК.

Знаючи, що профіль метилювання змінюється з віком, Стів Хорват, професор генетики людини та біостатистики в Каліфорнійському університеті в Лос-Анджелесі, протягом чотирьох років аналізував дані щодо метилювання людської ДНК. І в 2013-му отримав епігенетичний годинник, який дозволяє за візерунком метилювання 353 ділянок ДНК з дуже невеликою похибкою визначити вік людини. Цей показник набагато точніше багатьох інших ознак старіння, наприклад довжини кінцевого ділянки ДНК - теломер.

А ще можна подивитися, як клітина прибирає внутрішнє сміття. Одне з "засобів для чищення", що застосовуються клітиною, - це травний фермент бета-галактозидаза. З віком його дедалі більше.

Клітина поступово, розподіл за розподілом коротшає. Приблизно після 50 поділів теломери закінчуються, клітина втрачає можливість ділитися і старіє.

Приклад застосування

Епігенетичний годинник Хорвату вперше був використаний кілька років тому - європейськими криміналістами. Справа в тому, що коли до країни прибуває біженець без документів, його вік оцінюють на око або з його власних слів. Біженцю вигідно применшити свій вік, тому що неповнолітні мають більше прав та привілеїв. Наприклад, вони можуть викликати в країну дорослих родичів або отримати м'якше покарання за злочин.Так, у 2018 році молодий афганський біженець подав позов проти поліції німецького міста Хільдесхайма з вимогою визнати, що як неповнолітній він може розраховувати на поблажки. Поліція у відповідь звернулася до методів визначення віку за візерунком метилювання. Дії влади тоді розкритикували через незрілість технології. Але ж "годинник Хорвату" колись дозріє?

На відміну від людини, клітина може постаріти будь-якої миті - неважливо, скільки їй насправді років. Щоб постаріти, клітці достатньо зазнати сильного стресу на кшталт впливу токсичних речовин. Після такого потрясіння вона відмовляється нормально працювати та приносити користь організму. По-науковому старі клітини називають сенесцентними.

Спосіб сьомий: вимірювання температури трупа

Похмурий приклад для хоробрих духом ми приберегли наприкінці. Він не зовсім про вік – скоріше про те, що судмедексперт повинен ретельно оглянути, обнюхати, обмацати труп та виміряти його температуру, щоб визначити приблизний час смерті.

Як працює

У серіалах про криміналістику є розхожий сюжет: судмедексперт водить руками над тілом, капає щось у пробірку, дивиться у мікроскоп і називає точний час смерті. Насправді все не так стерильно-безконтактно. Грубі та орієнтовні показники часу смерті – це задубання та трупні плями. Задухання настає тому, що щоб розслабитися, м'язовим клітинам потрібна енергія, а в мертвому тілі її немає. У плямах винен зупинений кровообіг: серце і тонус судин більше не підганяють кров, тому під дією сили тяжкості вона переміщується та накопичується на нижній стороні тіла.

Судмедексперт може різними способами досліджувати подразливість м'язів.Але найчастіше він використовує простий і точний метод – вимірювання температури. Поки тіло ще не охололо до температури навколишнього середовища, охолодження відбувається за певним графіком. Судмедексперт вимірює температуру, вносить у формулу поправочні коефіцієнти залежно від маси тіла та умов охолодження (температура середовища, одяг, вологість тощо) та, враховуючи інші ознаки, встановлює приблизний час смерті. Тільки температуру треба виміряти дуже точно: звичний спосіб "градусник під пахвою" не підходить, інфрачервоний термометр також. Температуру доводиться вимірювати ректально.

Приклад застосування

Нещодавно дослідники з Нідерландів запропонували визначати час смерті за температури шкіри, а не прямої кишки. Цей метод дозволяє встановити момент загибелі з точністю до 38 хвилин, а не з похибкою кілька годин, як більш ранні способи. Вчені придумали математичну модель охолодження: набули форми голови за еліпсоїд, кінцівок – за конуси, тулуби та шиї – за циліндри. Потім для кожного елемента змоделювали час охолодження з урахуванням маси тіла, теплопровідності жиру, нежирової тканини та одягу з бавовни. А також досліджували тіла донорів, які заповідали себе науці. Метод спрацював: передбачення, що їх видала модель, збіглися з температурою, яку спостерігали в реальності.

6000 років до зв. е. - шумери в Месопотамії використовують поняття "рік", "місяць" та "зодіак".

У цей час шумерський зодіак – це 36 сузір'їв, у яких з'являється Місяць, а не Сонце, адже перший календар місячний. Пізніше шумери вигадають і "тиждень".

5000 років до зв. е. - Перші відомі науці річні календарні кола.

Вже тоді на території сучасної Німеччини початок нового року, як і у нас, припадав на зимове сонцестояння.

3300 років до зв. е. - перший сонячний годинник.

Виявлено у 2013 році в Долині царів у Єгипті.

3000 років до зв. е. - у Стародавньому Єгипті користуються сонячним календарем.

Рік складається із 365 днів і ділиться на 12 місяців по 30 днів. П'ять днів, що залишилися, додаються наприкінці року.

2500-1300 років до зв. е. - водяним годинником користуються в Персії, Месопотамії, Єгипті та Китаї.

Водяний годинник - це прилад для вимірювання проміжків часу у вигляді циліндричної посудини з струменем води, що витікає.

45 рік до зв. е. - Юлій Цезар запроваджує розроблений олександрійськими астрономами календар, названий на його честь юліанським. Рік у ньому починається з 1 січня – традиційної дати вступу на посаду обраних консулів.

До речі, слово "календар" походить від латинського calendarium - боргова книжка. У Римі боржники сплачували відсотки кредиторам у перші дні місяця.

725 р. - у Китаї створено перший механічний годинник.

Невдовзі їх запозичили араби.

XIV ст. - у деяких європейських містах на вежах з'являється механічний годинник, спочатку без маятника і хвилинної стрілки.

Данте описує такий годинник у "Божественній комедії" (саме початок XIV століття).

1504-1508 рр. - винайдено перший кишеньковий годинник.

За легендою, їх створив майстер Петер Хенляйн із Нюрнберга під час перебування у притулку для бідних.

1656 р. - голландський вчений Християн Гюйгенс створює перший маятниковий годинник.

Маятниковий годинник залишався найточнішим приладом для вимірювання часу 300 років.

Від «Крижаної людини» до Всесвіту: як вчені визначають вік всього

Пізнання навколишнього світу неможливе без розуміння віку історичних старожитностей і того, як довго існує сам світ – наш Всесвіт.Вчені створили безліч способів визначення віку археологічних знахідок і встановлення дат історичних подій. Сьогодні на хронологічній шкалі часу відзначено і дати виверження древніх вулканів, і час народження зірок, яких ми бачимо на нічному небі. Про основні методи датування ми сьогодні розповімо.

Археологічні знахідки

Коли йдеться про вік археологічних знахідок, то, звичайно, всі згадують радіовуглецевий метод. Це, мабуть, найвідоміший, хоч і не єдиний, метод датування старожитностей. Відомий у тому числі завдяки постійній критиці, на яку він піддається. То що це за спосіб, для чого і як він вживається?

Спочатку треба сказати, що цей метод застосовується, за дуже рідкісним винятком, тільки для датування предметів та матеріалів біологічного походження. Тобто віку всього, що колись було живим. Більше того, йдеться про датування саме моменту загибелі біологічного об'єкта. Наприклад, людину, виявлену під завалами житла, зруйновану землетрусом, або дерева, зрубаного для того, щоб побудувати корабель. У першому випадку це дозволяє визначити приблизний час землетрусу (якщо воно не було відоме з інших джерел), у другому – приблизну дату побудови корабля. Так, наприклад, датували виверження вулкана на острові Санторін, однієї з ключових подій давньої історії, можливої ​​причини апокаліпсису бронзового віку. Для аналізу вчені взяли знайдену під час розкопок вулканічного ґрунту гілка оливкового дерева.

Чому має значення саме момент загибелі організму? Сполуки вуглецю, як відомо, становлять основу життя на нашій планеті. Живі організми одержують його насамперед із атмосфери.З загибеллю вуглецевий обмін із атмосферою припиняється. Але вуглець на нашій планеті, хоч і займає одну клітинку таблиці Менделєєва, проте буває різним. На Землі зустрічаються три ізотопи вуглецю, два стабільних - 12 C і 13 C і один радіоактивний, схильний до розпаду, - 14 C. Поки організм живий, співвідношення стабільних і радіоактивних ізотопів в ньому те ж, що і в атмосфері. Як тільки вуглецевий обмін припиняється, кількість нестабільного ізотопу 14 C (радіовуглецю) за рахунок розпаду починає знижуватися і співвідношення змінюється. Приблизно через 5700 років кількість радіовуглецю знижується вдвічі, цей процес називається періодом напіврозпаду.

Радіовуглець народжується у верхніх шарах атмосфери з азоту, в азот потім і перетворюється в процесі радіоактивного розпаду / © wikimedia.org

Метод радіовуглецевого датування розробив Віллард Ліббі. Спочатку він припустив, що співвідношення ізотопів вуглецю в атмосфері у часі та просторі не змінюється, а співвідношення ізотопів у живих організмах відповідає співвідношенню в атмосфері. Якщо так, то вимірявши це співвідношення в археологічному зразку, ми можемо визначити, коли воно відповідало атмосферному. Або отримати так званий «нескінченний вік», якщо радіовуглецю у зразку немає.

Метод не дозволяє зазирнути далеко в минуле. Його теоретична глибина – 70 000 років (13 періодів напіврозпаду). Приблизно цей час нестабільний вуглець повністю розпадеться. Але практична межа – 50 000–60 000 років. Більше не можна, не дозволяє точності обладнання. Виміряти вік «Крижаної людини» їм можна, а ось зазирнути в історію планети до появи людини і визначити, наприклад, вік останків динозаврів уже не можна.Крім того, радіовуглецевий метод – один із найбільш критикованих. Суперечки навколо Туринської плащаниці та розбір методики встановлення віку реліквії є лише однією з ілюстрацій недосконалості даного методу. Чого тільки вартий аргумент про забруднення зразків ізотопом вуглецю вже після припинення вуглецевого обміну з атмосферою. Не завжди є впевненість, що взятий для аналізу предмет повністю очищений від вуглецю, привнесеного вже після, наприклад, бактеріями та мікроорганізмами, що оселилися на предметі.

Варто зауважити, що після початку застосування методу з'ясувалося, що співвідношення ізотопів в атмосфері поступово змінювалося. Тому вченим знадобилося створити так звану калібрувальну шкалу, на якій відзначено за роками зміну вмісту радіовуглецю в атмосфері. Для цього було взято об'єкти, датування яких відоме. На допомогу вченим прийшла дендрохронологія - наука, заснована на дослідженні річних кілець деревини.

Спочатку ми згадали, що є рідкісні випадки, коли цей метод поширюється на предмети небіологічного походження. Характерний приклад - стародавні споруди, в будівельному розчині яких застосовувалося негашене вапно CaO. При з'єднанні з водою та вуглекислим газом, що міститься в атмосфері, вапно перетворювалося на карбонат кальцію CaCO₃. Вуглецевий обмін з атмосферою в цьому випадку припинявся з моменту затвердіння будівельного розчину. У такий спосіб можна визначити вік багатьох стародавніх будівель.

Останки динозаврів та стародавніх рослин

Тепер поговоримо про динозаврів. Як відомо, ерою динозаврів був порівняно невеликий (звичайно, за мірками геологічної історії Землі) відрізок часу, який тривав 186 млн. років.Мезозойська ера, так вона позначена на геохронологічній шкалі нашої планети, почалася приблизно 252 млн. років тому і закінчилася 66 млн. років тому. При цьому вчені впевнено розділили її на три періоди: тріасовий, юрський та крейдяний. І для кожного визначили своїх динозаврів. Але як? Адже радіовуглецевий метод для таких термінів не застосовується. Найчастіше вік останків динозаврів, інших древніх істот, і навіть древніх рослин визначають у тому, у породах якого періоду вони виявлено. Якщо останки динозавра були знайдені в породах верхнього тріасу, а це 237-201 млн. років тому, значить, у цей час динозавр і жив. Тепер постає питання, як визначити вік цих порід?

Останки динозавра у давній породі / ©terrain.org

Ми вже говорили, що радіовуглецевий метод можна використовувати не лише для визначення віку об'єктів, що мають біологічне походження. Але ізотоп вуглецю має занадто малий період напіврозпаду, і при визначенні віку тих самих геологічних порід він не застосовується. Цей метод, хоч і є найвідомішим, лише один із методів радіоізотопного датування. У природі є й інші ізотопи, чиї періоди напіврозпаду більш тривалі та відомі. І мінерали, які можуть бути використані для визначення віку, наприклад, циркон.

Для визначення віку методом уран-свинцевого датування це дуже зручний мінерал. Точкою відліку визначення віку буде момент кристалізації циркону, аналогічно моменту загибелі біологічного об'єкта при радіовуглецевому методі. Кристали циркону зазвичай радіоактивні, оскільки містять домішки радіоактивних елементів і насамперед ізотопи урану.До речі, радіовуглецевий метод можна було б назвати і вуглець-азотним методом, оскільки продуктом розпаду ізотопу вуглецю є азот. Ось тільки які з атомів азоту, що перебувають у зразку, утворилися в результаті розпаду, а які там були спочатку, вчені визначити не можуть. Тому, на відміну від інших радіоізотопних методів, тут важливо знати зміну концентрації радіовуглецю в атмосфері планети.

Кристал циркону/ © wikimedia.org

У випадку з уран-свинцевим методом продуктом розпаду є ізотоп, який цікавий тим, що його в зразку раніше не могло бути або його початкова концентрація спочатку відома. Вчені оцінюють час розпаду двох ізотопів урану, розпад яких завершується утворенням двох різних ізотопів свинцю. Тобто визначається співвідношення концентрації вихідних ізотопів та дочірніх продуктів. Радіоізотопні методи застосовуються вченими до вивержених пород і показують час, що минув з моменту затвердіння.

Земля та інші небесні тіла

Для визначення віку геологічних порід застосовують інші методи: калій-аргоновий, аргон-аргоновий, свинець-свинцевий. Завдяки останньому вдалося визначити час формування планет Сонячної системи та, відповідно, вік нашої планети, оскільки вважається, що всі планети у системі сформувалися практично одночасно. 1953 року американський геохімік Клер Паттерсон виміряв співвідношення ізотопів свинцю у зразках метеориту, що впав близько 20–40 тис. років на території, яку займає зараз штат Арізона. Результатом стало уточнення оцінки віку Землі до 4,550 млрд років. Аналіз земних порід теж дає цифри такого порядку. Так, виявлені на берегах Гудзонової затоки в Канаді каміння мають вік 4,28 млрд років.А розташовані також у Канаді сірі гнейси (гірські породи, що за хімічним складом близькі гранітам і глинистим сланцям), які тривалий час утримували лідерство за віком, мали оцінку від 3,92 до 4,03 млрд років. Цей метод застосовується до всього, до чого ми можемо «дотягнутися» у Сонячній системі. Аналіз зразків місячного каміння, привезеного на Землю, показав, що їх вік дорівнює 4,47 млрд років.

А ось із зірками все зовсім по-іншому. Вони далеко від нас. Дістати шматочок зірки, щоб виміряти її вік, неможливо. Проте, вчені знають (або впевнені), що, наприклад, найближча до нас зірка Проксима Центавра лише трохи старша за наше Сонце: їй 4,85 млрд років, Сонцю – 4,57 млрд років. А ось діамант нічного неба Сіріус дуже підліток: йому приблизно 230 млн. років. Полярній зірці ще менше: 70–80 млн. років. Умовно кажучи, Сіріус спалахнув на небі на початку епохи динозаврів, а Полярна зірка вже наприкінці. То звідки вченим відомий вік зірок?

Ми не можемо отримати від далеких зірок нічого, крім їхнього світла. Але це вже чимало. Фактично це той шматочок зірки, який дозволяє визначити її хімічний склад. Знання того, з чого складається зірка, і необхідне визначення її віку. Протягом свого життя зірки еволюціонують, проходячи всі етапи від протозірок до білих карликів. В результаті термоядерних реакцій, що відбуваються в зірці, склад елементів у ній постійно змінюється.

Відразу після народження зірка попадає на так звану головну послідовність. Зірки головної послідовності (до них відноситься і наше Сонце) складаються в основному з водню та гелію. У процесі термоядерних реакцій вигоряння водню в ядрі зірки зростає вміст гелію. Стадія горіння водню – найтриваліший період життя зірки.На цій стадії зірка знаходиться близько 90% відведеного їй часу. Швидкість проходження стадій залежить від маси зірки: що вона більше, то швидше зірка стискується і швидше «згоряє». На головній послідовності зірка знаходиться доти, доки відбувається вигоряння водню в її ядрі. Тривалість інших стадій, у яких вигоряють важчі елементи, менше 10 %. Таким чином, чим старша зірка, що знаходиться на головній послідовності, тим більше в ній гелію і менше водню.

Ще кілька сотень років тому здавалося, що дізнатися про склад зірок ми ніколи не зможемо. Але відкриття спектрального аналізу у середині 19 століття дало до рук вченим потужний інструмент дослідження далеких об'єктів. Ось тільки спочатку Ісаак Ньютон на початку 18 століття за допомогою призми розклав біле світло на окремі компоненти різного кольору – сонячний спектр. Через 100 років, у 1802 році, англійський вчений Вільям Волластон придивився до сонячного спектру та виявив у ньому вузькі темні лінії. Він не надав їм великого значення. Але незабаром німецький фізик і оптик Йозеф Фраунгофер досліджує їх і докладно описує. Крім того, він пояснює їх поглинанням променів газами атмосфери Сонця. Окрім сонячного спектру він вивчає спектр Венери та Сіріуса та знаходить там аналогічні лінії. Виявляються вони і в штучних джерел світла. І лише в 1859 році німецькі хіміки Густав Кірхгоф і Роберт Бунзен провели серію дослідів, за підсумками яких дійшли висновку, що кожному хімічному елементу відповідає своя лінія в спектрі. А отже, за спектром небесних світил можна зробити висновки про їх склад.

Спектр фотосфери Сонця та фраунгоферові лінії поглинання / © wikimedia.org

Метод одразу було взято на озброєння вченими.І незабаром у складі Сонця було виявлено невідомий елемент, який не зустрічався на Землі. То справді був гелій (від «геліос» – Сонце). Лише дещо пізніше його виявили на Землі.

Наше Сонце на 73,46% складається з водню і 24,85% – з гелію, частка інших елементів незначна. До речі, серед них є й метали, що каже вже не стільки про вік, а про «спадковість» нашої зірки. Сонце - молода зірка третього покоління, а це означає, що воно утворилося з того, що залишилося від зірок першого та другого поколінь. Тобто тих зірок, у ядрах яких ці метали були синтезовані. У Сонці, зі зрозумілих причин цього ще не сталося. Склад Сонця і дозволяє сказати, що йому 4,57 млрд. років. До віку 12,2 млрд років Сонце залишить головну послідовність і стане червоним гігантом, але вже задовго до цього моменту життя на Землі буде неможливим.

Основне населення нашої Галактики – це зірки. Вік Галактики визначають за найстарішими її об'єктами, які вдалося виявити. На сьогодні найстарішими зірками в Галактиці є червоний гігант HE 1523-0901 та «Зірка Мафусаїла», або HD 140283. Обидві зірки знаходяться у напрямку сузір'я Терезів, і їх вік оцінений приблизно в 13,2 млрд років.

До речі, HE 1523-0901 та HD 140283 не просто дуже старі зірки, це зірки другого покоління, що мають у своєму складі незначний вміст металів. Тобто зірки, що відносяться до покоління, яке передувало нашому Сонцю та його «одноліткам».

Іншим найстарішим об'єктом, за деякими оцінками, є кульове зіркове скупчення NGC6397, зірки якого мають вік 13,4 млрд років.При цьому інтервал між формуванням першого покоління зірок та народженням другого оцінюється дослідниками у 200–300 мільйонів років. Ці дослідження дозволяють вченим стверджувати, що наша Галактика має вік від 13,2 до 13,6 млрд років.

Всесвіт

Так само як і з Галактикою, вік Всесвіту можна припустити, визначивши, скільки років її найстарішим об'єктам. На сьогоднішній день рекордсменом за віком серед відомих нам об'єктів вважається галактика GN-z11, розташована у напрямку сузір'я Велика Ведмедиця. Світло від галактики йшло 13,4 млрд років, тобто він був випущений через 400 мільйонів років після Великого вибуху. А якщо світло пройшло настільки довгий шлях, то Всесвіт не може мати менший вік. Але як же було визначено цей термін?

На 2016 рік галактика GN-z11 найвіддаленіший з найвідоміших об'єктів у Всесвіті / © wikimedia.org

Число 11 у позначенні галактики свідчить, що вона має червоне усунення z = 11,1. Чим більший цей показник, тим далі об'єкт знаходиться від нас, тим довше йшло світло від нього і тим об'єкт старший. Попередній чемпіон за віком – галактика Egsy8p7 – має червоне усунення z = 8,68 (віддалено від нас 13,1 млрд світлових років). Претендент на старшинство – галактика UDFj-39546284, ймовірно, має z = 11,9, але це поки що до кінця не підтверджено. Всесвіт не може мати вік менший за ці об'єкти.

Трохи раніше ми розповіли про спектри зірок, якими визначається склад їх хімічних елементів. У спектрі зірки або галактики, яка віддаляється від нас, відбувається зсув спектральних ліній хімічних елементів у червоний (довгохвильовий) бік. Чим далі об'єкт від нас, тим більше його червоне усунення.Зміщення ліній у фіолетову (короткохвильову) сторону, обумовлене наближенням об'єкта, називається синім або фіолетовим зміщенням. Одним із пояснень цього явища є всюдисущий ефект Доплера. Їм, наприклад, пояснюється і зниження тону сирени проїжджає повз машину або звук двигуна літака, що пролітає. На доплерівському ефекті заснована робота та більшості камер фіксації порушень.

Спектральні лінії змістилися у червоний бік / © wikimedia.org

Отже, відомо, що Всесвіт розширюється. А знаючи швидкість її розширення, можна визначити вік Всесвіту. Константа, що показує, з якою швидкістю дві галактики, розділені відстанню в 1 Мпк (мегапарсек), розлітаються в різні боки, називається постійною Хаббла. Але щоб визначити вік Всесвіту, ученим знадобилося дізнатися його щільність та склад. З цією метою до космосу було відправлено космічні обсерваторії WMAP (NASA) та Planck (Європейське космічне агентство). Дані WMAP дозволили визначити вік Всесвіту 13,75 млрд років. Дані європейського супутника, запущеного через вісім років, дозволили уточнити необхідні параметри, і вік Всесвіту був визначений у 13,81 млрд років.