Ни одни из описанных нами ранее часов не годятся для измерения столь больших промежутков времени и датирования давно минувших событий. Ведь часы, изготовленные человеком, в геологических масштабах времени появились сравнительно недавно, некоторые несколько тысячелетий, а другие лишь несколько десятков лет назад. Использование изготовленных человеком часов для непрерывного отсчета времени не насчитывает и нескольких сот лет.
Часы — вращающаяся вокруг своей оси Земля и часы — Земля, вращающаяся вокруг Солнца, работают уже миллиарды лет, однако отсчет по ним начался лишь несколько тысяч лет назад и, как мы теперь доподлинно знаем, велся нерегулярно, с провалами и сбоями.
Ученые разработали метод отсчета времени по годичным кольцам деревьев, но эта шкала времени простирается не очень далеко (до нескольких тысяч лет) и имеет ограниченное применение. Отложения ленточных глин, песка, солей также дают возможность отсчета времени. Все эти методы учеными изучались и использовались. Однако часы, основанные на этих процессах, оказались очень неточными.
Имеется еще ряд методов измерения больших промежутков времени. Целая группа таких методов основана на изучении смены различных форм жизни. На протяжении веков и тысячелетий одни виды растений и животных сменяли другие. Каждый из этих видов существовал более или менее продолжительное время. Многие виды существовали одновременно. Однако большинство из них, пережив период расцвета и широкого распространения, затем по разным причинам погибало и уступало место другим.
Изучив последовательность, в которой происходила смена одних видов другими, и хотя бы приблизительно определив продолжительность существования каждого из них, можно таким образом составить шкалу времени. Такие часы основаны на сопоставлении различных событий между собой и, следовательно, показывают относительное время. Они дают возможность уверенно определять последовательность разных явлений. Однако эти часы оказываются очень неточными при датировании отдельных событий, или, как часто говорят, определении возраста этих событий. Тем не менее и в настоящее время эти методы во многих случаях оказываются полезными и широко применяются.
В начале нашего века для отсчета больших промежутков времени были разработаны «радиоактивные часы». Именно они позволили определять возраст различных объектов исследования с приемлемой точностью, получать даты давно минувших событий и, в конечном счете, лучше разобраться в истории жизни на Земле, формировании самой Земли и даже развитии Солнца и звезд. Очень существенной особенностью радиоактивных часов является то, что с их помощью для археологических находок, горных пород и других объектов исследования определяется абсолютный возраст: абсолютный в том смысле, что он находится по некоторым свойствам (радиоактивности) данного образца и непосредственно для данного образца, между тем как в методах относительной хронологии возраст данного образца определяется из сопоставления его с другими объектами, например остатками спор и пыльцы растений, раковинами различных типов и т. д.
«Радиоактивными часами» называют метод или, вернее, целую группу очень мощных методов, в которых явление радиоактивного распада ядер различных изотопов используется для определения больших промежутков времени. Проведенные исследования радиоактивных веществ показали, что скорость их распада не зависит от окружающей температуры и давления по крайней мере в тех пределах, которые достижимы в земных лабораториях. Таким образом, процесс радиоактивного распада с успехом может быть использован для отсчета промежутков времени.
Распад различных радиоактивных изотопов происходит с существенно различной скоростью, например: период полураспада висмута-212 равен 60,5 минуты, урана-238— 4,5 миллиарда лет, а углерода-14 — 5730 годам. Напомним, что периодом полураспада радиоактивного вещества называется промежуток времени, в течение которого количество его уменьшается вдвое. Таким образом, для измерения различных объектов и разных интервалов времени имеется достаточно широкий выбор подходящих изотопов. Тем не менее при использовании радиоактивных часов для отсчета больших промежутков времени обнаружились специфические и серьезные трудности. Потребовалось много труда и научной выдумки для того, чтобы достигнуть той степени понимания используемых процессов, которая позволила эти трудности преодолеть.
Между тем принцип измерения больших промежутков времени с помощью радиоактивных часов очень прост. В некоторой мере он подобен принципу работы огненных часов, в которых соответствующим образом приготовленная палочка горит с постоянной и заранее известной скоростью. Зная начальную длину палочки, скорость ее сгорания и измерив длину несгоревшей ее части, можно без особого труда определить, сколько прошло времени от того момента, когда палочка была зажжена. Именно так и поступали в древности.
Однако между радиоактивными и огненными часами аналогия оказывается неполной в том отношении, что через равные интервалы времени длина горящей палочки огненных часов уменьшается на определенные отрезки, т. е. по закону арифметической прогрессии, а количество радиоактивного вещества через равные интервалы времени уменьшается в определенное число раз, т. е. по закону прогрессии геометрической. Если в начальный момент длина палочки огненных часов равнялась Л, а скорость ее сгорания В, то через 1, 2, 3 часа ее длина будет равняться Л — 1В, А — 2В, А — 35 и т. д. Если количество радиоактивного вещества в начальный момент равнялось Л, то через равные и характерные для каждого радиоактивного изотопа интервалы времени оно будет равняться 1/2А, 1/4А, 1/8А и т. д. Кривую, описывающую такое изменение величины, называют экспонентой. То, что количество имевшегося вначале радиоактивного вещества убывает с течением времени по экспоненте, никаких добавочных затруднений в отсчете времени не вызывает.