Анализ продуктов материальной культуры методами естественных наук и на основе компьютерного моделирования

Архив, музей, библиотека, археологические раскопки… и персональный компьютер — вот основные места работы современного историка науки. Кроме исследований, связанных с расшифровкой смыслов прошлого, выраженных в различных знаковых объектах, важное место в истории науки занимает работа по изучению самих материальных носителей этих смыслов. Качественный и количественный химический состав артефакта, время изготовления и срок употребления, внутреннее устройство и возможное назначение объекта в целом или отдельных его деталей, принцип действия механизма и т. д. — многое из перечисленного можно выявить исключительно методами естественных наук. Современные физические, химические и биологические методы исследования исторических памятников позволяют получить информацию об объекте прошлого, минимально влияя на его состояние, а если это требуется — не только не разрушая, но и вообще не разбирая его. А пользуясь возможностями компьютерного 31)-моделирования, мы можем увидеть внутренности объекта и выполнить его полную копию или получить изображения различных его сечений. Компьютерное моделирование позволяет визуализировать рабочие гипотезы, описывающие внешний вид и внутренние детали несохранившихся устройств, рассчитать технологические параметры приборов и сооружений, для которых остались только текстовые описания или, в лучшем случае, чертежи и схемы.

Методы естествознания в историческом исследовании — отдельная обширная тема, выходящая за рамки содержания данного учебника, поэтому мы ограничимся только перечислением наиболее распространенных методов физического, химического и биологического анализа объектов материальной культуры.

Самый древний и самый распространенный метод поиска археологических комплексов — археологическая разведка, когда группы археологов проходят по заранее определенным районам и производят визуальный осмотр местности. Конечно, хорошо, если на их пути встретятся древние валы и рвы (их надо очень постараться не заметить, хотя и такие случаи бывали!). Однако часто археологические комплексы укрыты плотным земляным «одеялом». Поэтому археологические разведки обычно проводятся ранней весной или поздней осенью, когда растительность не скрывает особенности рельефа местности, когда можно взять в помощники тружеников сельского хозяйства и пройти по свежераспаханному нолю. Плуг часто поднимает с глубины следы древней жизнедеятельности, а еще на поле можно заметить темные пятна (следы угля, тлена и нроч.), свидетельствующие о наличии в этом месте какой-то аномалии: чаще всего это говорит о том, что здесь под слоем земли находятся остатки древнего поселения.

Кроме визуальной разведки «глазами» используются и технические средства, позволяющие обследовать довольно большие территории. К ним относится аэрофоторазведка. Почти любой крупный археологический объект (город, поселение, большое сооружение), даже будучи разрушенным и погребенным под толщей земли, оставляет следы в виде правильной формы углублений, участков растительности, отличающихся по цвету, и т. п.

Кроме того, для выявления скрытых под землей объектов используется электроразведка и магниторазведка. В электроразведке применяется принцип измерения сопротивления тока: в землю втыкаются электроды, между которыми пропускается ток (перед этим проводятся экспериментальные исследования электропроводимости разных грунтов в данной местности). Если проводимость тока в исследуемом месте выше или ниже средней, то это свидетельствует о наличии аномалии, которая может носить антропогенный характер — например, быть остатками древнего сооружения. Подчеркнем, что успех использования электроразведки полностью зависит от предварительно созданной шкалы проводимости тока в различных грунтах. Иначе археолог рискует обнаружить известняковую плиту естественного происхождения вместо белокаменной кладки. Еще один метод исследования грунта — магниторазведка, когда для выявления подземных археологических объектов используется метод измерения напряженности магнитного поля в данной местности (уровень такой напряженности известен для каждого широтного пояса). Если под землей находится некий объект, имеющий искусственное происхождение (каменная или деревянная кладка, клад металлических предметов, древний ров), то уровень напряженности магнитного ноля будет отличаться от обычного. Это лишь несколько способов поиска археологических объектов — в практике применяются и некоторые другие.

Представим, что вам невероятно повезло и вы обнаружили в раскопе некий артефакт прошлого — предмет технического или бытового назначения. Помимо всеобщей радости, тут же возникают вопросы датировки, состава, функций найденного артефакта. Но археолог не бросится поливать находку химическими реактивами или просвечивать рентгеновскими лучами прямо на месте. Артефакт сфотографируют, задокументируют, опишут место находки, а сам предмет бережно упакуют для дальнейшей транспортировки и, возможно, отправят в специализированную лабораторию. Историк (археолог) получит лишь отчеты о лабораторных исследованиях, в которых сам уже не будет принимать участия. Поэтому историку науки необходимо иметь представление о возможностях, границах применимости и степени погрешности методик анализа, на которые он полагается.

Итак, мы обнаружили и раскопали археологический памятник. Что же дальше? Дальше требуется провести его датировку.

Как мы помним, периодизация, т. е. соотнесение определенных исторических событий и связанных с ними артефактов с определенным временем, — один из важнейших приемов упорядочивания прошлого. Какие же методы применяются для датировки археологических находок?

Датирование по остаточной намагниченности основано на фиксации магнитного поля в древних отложениях. Глины и железосодержащие породы сохраняют направление и интенсивность магнитного поля Земли того периода, когда они сами были нагреты до 700 °C. Магнитное поле Земли периодически изменяется, и история этих изменений достаточно подробно зафиксирована геологами. Для измерения намагниченности образец распиливают на небольшие части. Сравнивая магнитные свойства найденного образца с геологическими данными, можно определить его возраст в диапазоне от наших дней до 75 000 лет.

Дендрохронология — метод биологического датирования по древесным кольцам, который позволяет вычислить возраст любого большого древесного куска при наличии 10—12 годовых колец. Для разных регионов земного шара составлены сводные шкалы, с которыми сопоставляют образцы древесины. Дендрохронологические данные используют для калибровки данных радиометрического датирования.

Датирование по рацемизации аминокислот применяется для определения возраста органических веществ. В данном методе исследуют форму аминокислот, содержащихся в протеинах костных останков. Рацемизация — самопроизвольный переход аминокислот из «живой формы» (L-формы) в «мертвую» (D-форму). Скорость рацемизации зависит от температурных условий среды, но в остальном стабильна и может быть определена. Измерение соотношения Lи D-форм аминокислот, входящих в состав образца, с учетом температурного режима, в котором образец находился с момента смерти организма, дает сведения, позволяющие вычислить возраст материалов в диапазоне до 100 000 лет.

Фторные и урановые пробы позволяют определить относительный возраст находок и оценить, принадлежат ли одной эпохе предметы, обнаруженные в общем раскопе. Метод основан на том, что в грунтовых водах содержатся в следовых количествах фтор и уран, которые постепенно накапливаются в костях животных, поэтому объекты одного временного пласта и одной местности имеют одинаковое содержание этих веществ. Иногда метод фторных и урановых проб помогает выявить фальсификации, связанные с тем, что древности из разных регионов выдаются за единый комплекс.

Датирование по патине основано на том, что под воздействием внешней активной среды на поверхности памятника появляются тонкие наружные пленки измененного физического и химического состава. Например, это может быть патина из окислов металлов, замещающая соединения кальция и калия на наскальных изображениях или слой гидратированного кремнезема на изделиях из обсидиана. Толщина этого слоя зависит от температуры и особенностей состава образца и его окружения (почва, вода, воздух). Пропорции замещенных и замещаемых веществ в патине также зависят от времени. Если известна интенсивность реакции для конкретных веществ в местных условиях, то можно определить дату памятника в интервале от наших дней до сотен тысяч лет.

Радиометрическое датирование основано на определении уровня распада радиоактивных элементов, содержащихся в археологических находках. Радиометрические методы различаются как по используемым контрольным веществам, так и по области применения, а именно по видам исследуемых материалов и диапазону временных интервалов.

• • Радиоуглеродное датирование по изотопу углерода С¹⁴ (органические останки возрастом от 3500 до 50 000 лет). Метод радиоуглеродного датирования основан на определении концентрации изотопа С¹⁴ в останках когда-то живых объектов и сравнении ее с концентрацией этого изотопа в современной атмосфере. После смерти растения или животного в организм перестает поступать радиоактивный изотоп С¹⁴ (растения получают его в процессе фотосинтеза из атмосферы, животные — при поедании растений или травоядных животных), а радиоактивный распад приводит к уменьшению концентрации изотопа в отжившем геле. Скорость распада С¹⁴ известна, что и позволяет осуществить датировку. Однако этот метод требует калибровки полученных оценок возраста с помощью иных методов, так как концентрация изотопа в атмосфере меняется в зависимости от интенсивности космического излучения. Требуется также проверка на загрязнение примесями более позднего происхождения, которые занижают возраст находки.
• • калиево-аргоновое датирование (вулканические породы возрастом от 100 тыс. до 5 млн лет).
• • датирование по радиометрии урана (артефакты возрастом от 50 тыс. до 500 тыс. лет).
• • датирование по цепной ядерной реакции радиоактивного распада (артефакты возрастом от 300 тыс. до 3 млрд лет; изделия из стекла последних 2000 лет).

Нужно заметить, что датировки при помощи радиоуглеродного метода имеют свои недостатки. Прежде всего, это невозможность датировки объекта с точностью до года или десятилетия — речь идет в лучшем случае о столетии. Также радиоуглеродный метод не позволяет проводить исследования объектов старше 40 000 лет. Еще одна сложность в том, что для проверки правильности данных требуется сбор нескольких образцов (желательно крупного размера) с одного объекта, так как один образец может дать случайные даты. Это связано с тем, что в более древних объектах уровень радиации почти равен природному уровню фоновой радиации, и счетчики радиоактивности не могут «отследить» уровень радиации в небольших образцах, относящихся к глубокой древности. К счастью, сейчас развивается масс-снектрометрический метод радиоуглеродной датировки, который позволяет определять возраст до 75 000 лет, а кроме того, увеличивает точность датировки.

Изотопный радиоуглеродный анализ можно использовать не только для датировки предметов, но и для воссоздания рациона людей на протяжении длительных промежутков времени. Пищевые продукты содержат различные количества изотопов, и по этому признаку выделяют три группы продуктов, обозначаемые СЗ, С4 и СМ. Принадлежность потребляемых продуктов и рациона в целом к той или иной группе можно определить по доле различных видов вырабатываемого организмом протеина — коллагена, содержащегося в костях. После гибели организма коллагены частично сохраняются в костных останках. Изотопный анализ позволяет отследить состав рациона и динамику его трансформаций, связанную с изменением климата, расширением торговых связей, освоением новых видов сельскохозяйственной продукции.

Термолюминесцентный метод датирования. Электроны из потока космических частиц могут быть захвачены кристаллическими решетками различных веществ (керамики, стекла, каменной породы, глины), из которых произведен объект (например, иолы в очажных ямах). При нагревании вещества до 500 °C электронные ловушки опустошаются и вещество излучает световую энергию — этот процесс называется термолюминесценцией. Суть метода состоит в последовательном измерении излучения исследуемого образца, нагретого до 500 °C. При первом нагреве общая энергия излучения будет равна сумме величин энергии термолюминесценции и энергии теплового излучения. Так как в результате нагревания электронные ловушки опустошатся, при повторном нагреве источника термолюминесценции не будет, поэтому излучаемый свет будет иметь исключительно тепловую природу. Разница двух значений дает величину термолюминесценции, что вместе с дополнительными вычислениями позволяет определить дату последнего нагревания образца до 500 °C. Метод используется для датировки образцов в диапазоне от 80 000 лет до н.э. до 1500 г. н.э.

Метод электронного парамагнитного резонанса также связан с определением количества электронов в ловушках, но не требует нагрева и не разрушает образец. По сравнению с методом термолюминесценции он более дорогой и менее точный.

Выше речь шла о получении абсолютной даты артефакта. Однако существует и относительная датировка, основанная на стратиграфии расположении культурных слоев относительно друг друга по вертикали. Как правило, более древние слои всегда находятся ниже более молодых слоев. Слои могут выделяться как по цвету, так и по качеству (более рыхлые от более плотных, с наличием определенных примесей или без них). От исследователя требуется определенный навык в выделении этих слоев на каждом конкретном памятнике.

Следующую задачу археолога составляет определение места добычи, производства или обработки изделий из неорганических соединений. Допустим, мы поняли, к какому периоду относится артефакт и археологический комплекс, к которому он принадлежит. Однако остается еще много вопросов. Как создавался артефакт? Где он создавался и зачем (какую функцию выполнял)? Ответы на эти и другие вопросы прояснят некоторые детали картины прошлого: например, мы сможем понять, имеет ли артефакт местное происхождение (что дает дополнительные сведения об уровне технологического развития изучаемой культуры) или завезен из другой местности (что свидетельствует о торговых, политических или иных связях исследуемой культуры). Так, например, изучение структуры камней знаменитого Стоунхенджа привело исследователей к предположению о том, что камни для этого объекта добывались в другом месте, более чем за 30 км от Стоунхенджа. Это открытие сразу же расширило круг вопросов, касающихся этого памятника, добавив к ним очень важную тему — как люди бронзового века смогли организовать транспортировку многотонных каменных блоков на десятки километров?

При помощи современных средств можно провести реконструкцию древнего технологического процесса, проанализировав структуру такого простого предмета как, например, древний железный нож. Вывод о технологии его создания, в свою очередь, позволяет соотнести этот нож с определенной технологической традицией и понять, сделан ли он на месте находки или привезен из другого места. В свою очередь, эти данные позволяют судить об уровне технологического развития различных культур, торговых связях и т. п.

О месте изготовления предмета может рассказать и его состав. Анализ состава артефакта — сложное занятие, так как не всегда очевидно, что на самом деле представляет собой прослойка или пятно в археологическом слое. Например, то, что сейчас можно принять за прослойку золы, в древности могло быть белокаменной плитой, со временем разложившейся до состояния пыли.

Состав многих неорганических материалов не зависит от места их происхождения, что затрудняет определение места производства артефакта. Химическими «отпечатками пальцев» конкретного месторождения являются состав и количественное распределение примесей (следовых изотопов определенных элементов) основного сырья. Так как каждое месторождение уникально по сочетанию примесей, такой анализ позволяет сделать конкретную географическую привязку основного материала, из которого сделана находка. Например, свинец в качестве примеси присутствует в рудах серебра и меди, поэтому по его концентрации в уже готовых изделиях можно определить, где производилась их добыча. Существуют разные физические лабораторные методы определения концентрации примесей:

• • оптическая эмиссионная спектроскопия;
• • рентгеновская флуоресцентная спектрометрия;
• • электронно-зондовый микроанализ;
• • нейтронно-активационный анализ;
• • томно-абсорбционная спектрометрия;
• • рентгеноструктурный анализ.

Определить место изготовления исторической реликвии можно также с помощью метода исследований тонких срезов под микроскопом, который широко используется для изучения предметов из керамики. Естественные примеси и следы органических веществ, характерные для места добычи глины, добавки для улучшения качества обжига, специально внесенные мастером, отражаются на структуре и окрасе среза, делают наблюдаемый рисунок специфичным и узнаваемым. Исследование срезов позволяет определить время и место изготовления образца вплоть до конкретной мастерской.

Структурный микроскопический анализ поверхностей металлов, предварительно заполированных и протравленных кислотой, дает информацию о том, как изготовили металлическое изделие. Металлография по наблюдаемой в микроскоп структуре металла позволяет различить холодную и горячую ковку, литье; выявить предметы, подвергшиеся закаливанию (быстрому остужению); изделия из метеоритного железа отличить от произведенных из выплавленного металла.

Рентгеноструктурный анализ — дифракционный метод исследования структуры объекта. Взаимодействие рентгеновского излучения с электронами изучаемого вещества приводит к перераспределению излучения (дифракции). Дифракционная картина, отражающая изменение интенсивности излучения в пространстве, зависит от длины волны используемого рентгеновского излучения и атомного строения объекта. Методами рентгеноструктурного анализа изучают металлы, сплавы, минералы, неорганические и органические соединения, полимеры, аморфные материалы, жидкости и газы, молекулы белков и нуклеиновых кислот.

Томография — получение каким-либо способом (разрушающим или неразрушающим) послойного изображения внутренней структуры объекта. Так как в задачи историка входит сохранение исследуемого исторического памятника, то нас будут интересовать неразрушающие виды томографии. Все неразрушающие томографические методы связаны с использованием какого-либо излучения (рентгеновского, гамма-излучения, электронного, нейтронного и т. д.) и компьютерной обработкой полученных данных. Наибольшее распространение получила рентгеновская компьютерная томография. Последнее достижение в этой технологии — многослойная («мультиспиральная») компьютерная томография (МСКТ), которая нс только создает изображения, но и позволяет наблюдать практически в реальном времени происходящие внутри объекта процессы. Основная область применения томографии — медицина, поэтому для анализа исторических объектов методом рентгеновской томографии исследователь чаще всего вынужден обращаться не в физико-химические лаборатории, а в научномедицинские центры.

Замечательным примером, иллюстрирующим последовательность шагов реконструкции с применением методов физического анализа и компьютерного моделирования, служит история Антикитерского механизма, затянувшаяся на столетие. Мало обнаружить артефакт — важно осознать ценность находки и необходимость ее дальнейшего исследования. Только спустя год после того как в 1901 г. недалеко от греческого острова Антикитера были подняты предметы с затонувшего римского судна, археолог Валериос Стаис обратил внимание на загадочный механизм — бронзовые шестерни, обросшие минералами. По монетам, найденным на корабле, механизм датировали 100— 150 гг. до н.э. Находка обрела известность, но технических возможностей исследовать ее дальше не было. Только в 1951 г. историк науки Дерек Джои де Солла Прайс провел рентгеновское исследование механизма, построил его схему и доказал, что механизм предназначался для расчета движения небесных тел. По чертежам Прайса британский часовщик Джои Глив построил работающую модель механизма. Дальнейшее развитие технологий дало возможность вернуться к исследованиям. Специалист лондонского музея науки Майкл Райт методами рентгеновской томографии получил рентгенографические двухмерные срезы механизма, выявил ошибки реконструкции Прайса и в 2002 г. предложил свой вариант. В 2005 г. под эгидой Министерства культуры Греции был запущен греческо-британский проект Antikythera Mechanism Research Project. Новые возможности рентгеновской томографии позволили получить объемные карты скрытого содержимого механизма. Были обнаружены новые детали устройства, прояснилось назначение различных его частей. В 2006 г. на основе усовершенствованной рентгеновской методики ученые смогли прочитать около 95% надписей на механизме (почти 2000 греческих символов). На сегодняшний день ученым понятно, как выглядел этот механизм и для чего он был нужен: с его помощью вычисляли движение Марса, Юпитера, Сатурна; он учитывал эллиптичность орбиты движения Луны, а значит, его создатель был знаком с результатами расчетов лунной теории Гиппарха.

Итак, ответы на вопросы, вызванные находкой нового артефакта, получены, и картина прошлого сложилась. Но скептик задаст еще один вопрос: а вы уверены, что все было именно так? Как проверить ваши догадки?

Что ж, пока машина времени не изобретена, мы вынуждены прибегать к традиционному для естественных наук методу проверки — эксперименту. Например, создать на месте древнего городища гончарный горн по образцу древних горнов и сделать горшок, используя для этого местную глину. Или воссоздать путь исследовательской экспедиции, которая по каким-то причинам пропала либо оставила о себе крайне скудные сведения. В России и зарубежных странах проводились и проводятся такие исследования, причем при этом не только изучается место действия экспедиции, но и анализируются данные письменных источников (например, на основании перечня припасов, взятых участниками экспедиции, можно сделать предварительный вывод о возможностях их автономного существования), природные особенности (ветра и морские течения, господствующие в определенное время года) и т. д. Такого рода исследования проводятся не только в камеральных (кабинетных или лабораторных) условиях, но и в условиях, близких к исследуемой эпохе, когда ученые пытаются воссоздать интересующую их ситуацию в реальности, имея в наличии некоторый объем данных (так называемый исторический эксперимент). Пожалуй, самый известный пример такого эксперимента — путешествия норвежского исследователя Т. Хейердала, пытавшегося доказать технические возможности древних моряков. Так, в 1947 г. он осуществил плавание на илоту из бальсовых бревен из Южной Америки в Полинезию, не только показав тем самым определенный технологический уровень древних людей, но и доказав возможность миграции предков полинезийцев из Южной Америки. Позже он провел еще несколько экспедиций с целью реконструкции технических возможностей древнеегипетских и месопотамских моряков. Также регулярно проводятся менее масштабные, но зачастую более изощренные эксперименты, устроители которых пытаются учесть максимальное количество вводных (например, максимально приблизить участников эксперимента к древнему образу жизни: ограничить их рацион продуктами, существовавшими в древности, оснастить их только теми инструментами, которые бытовали в тот исторический период, и т. д.).