Элементарные частицы истории: как точные науки помогают гуманитариям

Новейшие достижения химии и физики элементарных частиц помогают ученым раскрывать тайны не только вселенной, но и ноосферы: от загадочной пустоты в пирамиде Хеопса до неизвестных работ Гойи и Малевича ​В начале ноября мир обошла новость, которую многие назвали самым важным археологическим открытием XXI века: внутри знаменитой пирамиды Хеопса (Хуфу) нашли 30-метровую пустоту. Это одна из немногих научных новостей, которая не нуждается ни в предыстории, ни в подтверждении значимости. Пирамида Хеопса — единственное из сохранившихся Семи чудес света древности, самая знаменитая туристическая достопримечательность Египта. Она оставалась самым высоким рукотворным сооружением в течение тысячелетий, пока в начале XIII века не был закончен кафедральный собор в Линкольне.

Сквозь камень

Великая пирамида, как ее часто называют, находится в Гизе, она была построена около 4500 лет назад для погребения фараона, которого чаще называют Хеопс, а иногда — Хуфу. Пирамида сложена из 2,3 млн каменных блоков, ее высота — почти 140 м, а основание — квадрат 230 на 230 м. То есть поместиться там может очень многое, а исследовать такую глыбу очень непросто.

На помощь археологам пришли самые современные методы физики элементарных частиц: пирамиду изучали, наблюдая поток мюонов — высокоэнергетического компонента космических лучей, который образуется, когда эти лучи взаимодействуют с земной атмосферой. Свойства этих частиц таковы, что они могут проходить сотни метров сквозь плотную породу или камень до того, как будут поглощены. Исследуя потоки мюонов, можно проникнуть в жерло вулкана или законсервированный блок атомной станции. Или — в Великую пирамиду. Для этого под объект, в него или даже сбоку от него нужно поместить детектор мюонов — своего рода фотографическую пленку, которая позволяет измерить количество мюонов, проходящих через объект по разным направлениям.

В случае пирамиды Хеопса их установили в уже известном помещении внутри — камере царицы, — в прилегающем к ней коридоре и у подножия пирамиды с северной стороны. Раз в несколько месяцев полученные данные анализировались. Для начала были проведены тестовые исследования — «вслепую» были локализованы уже известные внутренние помещения — камеры царя и царицы и соединяющий их коридор, известный как большая галерея. Затем было начато основное исследование, которое принесло сенсационные результаты, опубликованные в журнале Nature.

Прямо над большой галереей было найдено еще одно, ранее неизвестное помещение. Это огромная щель: в длину она 30 метров, в высоту — восемь метров, а в ширину — всего два. В теле пирамиды помещение поднято на 20 метров над ее основанием. Точная структура этого пространства пока не известна: неясно, одна ли это комната или несколько смежных, горизонтальный ли там пол или наклонный.

О назначении этой пустоты сейчас судить сложно. У нее может быть символическое значение: скажем, это коридор для прохода души фараона на небо. Или инженерное — облегчить вес пирамиды над галереей, чтобы не допустить обрушения. Или техническое — обеспечить подвоз материала для строительства верхних ярусов. Историки до сих пор точно не знают, как именно строилась пирамида — с помощью внешних лесов или внутренних ходов, через которые блоки доставлялись на верхние уровни строения. Но одно ясно — физика элементарных частиц становится прикладной областью знаний, помогая познавать нашу историю, как в этом случае, или, например, обеспечивая безопасный мониторинг работы ядерных реакторов.

Разбирая Малевича

Это не первый случай, когда точная наука приходит на помощь гуманитарной. Самым значительным импульсом, который физика дала истории (и не только ей), является радиоуглеродный метод датировки. По присутствию в образце нестабильного изотопа углерод-14 можно до определенного времени определить возраст образца. Не все в радиоуглеродном методе так просто, в начале его применения он давал в некоторых случаях совершенно сбивающие с толку результаты, так что использование его для датировки было ограничено, но и в таком виде метод совершил не один десяток исторических и палеонтологических революций и прочно вошел в инструментарий разных исследователей.

Почти рутиной стали и физико-химические исследования произведений искусства, свою лабораторию или сотрудничество с исследовательским центром имеет каждый музей, обладающий историческими ценностями (например, совместный проект Эрмитажа и петербургского университета ИТМО). А мы все чаще узнаем, например, что до наших дней дошло гораздо больше работ великих мастеров, чем мы предполагали, — только мы их не видим.

В 2015 году было установлено, что под одной из версий «Черного квадрата» Казимира Малевича прячется даже не одна, а две картины его кисти, и распознали их так хорошо, что их даже смогли проанализировать искусствоведы. Они заключили, что одна из них — кубофутуристическая композиция, вторая — протосупрематическая (что бы это ни значило).

Чуть ранее — в 2011 году — еще одна картина была найдена под «Лоскутом травы» Винсента Ван Гога. Ее исследование показало, что под красочным слоем на холсте находится портрет женщины. В том же году та же группа ученых из Антверпена нашла еще один портрет под портретом дона Рамона Сатуэ кисти Франсиско Гойи. Если Ван Гог, скорее всего, просто экономил холсты, то Гойя мог скрыть первоначальную работу намеренно: мужчина на первом портрете одет в форму, говорящую о его высоком положении в рыцарском ордене, учрежденном Жозефом Бонапартом, которого Наполеон сделал королем Испании. После того, как французская армия была изгнана из Испании в 1813 году, держать у себя бонапартистский портрет стало опасно. Аналогичные открытия коснулась картины Рембрандта «Старик с бородой» — под ним нашли автопортрет художника — и других работ.

Для исследования полотен обычно используется рентгенофлуоресцентный анализ (РФА) — метод, который позволяет установить качественный и количественный состав образца, то есть понять, сколько в нем химических элементов и каких, не разрушая его. Картину «сканируют»: сфокусированный пучок рентгеновских лучей направляют на ее участок, раз за разом. Атомы в каждой точке реагируют на это воздействие, испуская ответное излучение — флуоресцируя. А параметры этого излучения характеризуют то, атомы каких именно элементов присутствуют в образце. Эти данные уже можно связать с изображением и используемыми цветами: ученые довольно хорошо знают состав красок и понимают, что кобальт — это кобальтовая синяя, ртуть — красная киноварь, сурьма — неаполитанская желтая, свинец — свинцовые белила, — и даже могут определить оттенки и степень насыщенности цвета. До РФА использовалась классическая радиография, ей были видны только интенсивности, то есть изображение получалось черно-белым. Но и это достаточно много.

Согласие наук

«Это прекрасный шанс показать, что мир искусства может взаимодействовать с миром химии, химия — это всеохватывающая наука, не только о молекулах и реакциях, но и об исследовании прекрасных художественных произведений», — говорил в 2009 году Маттиас Алфельд из Университета Антверпена, исследовавший Ван Гога, Гойю и другие картины.

Понимание состава красок дает и другие, куда более революционные исторические результаты. Так, в средние века красители имели, по большей части, органическое происхождение, и некоторые из них были большой редкостью, завозились издалека и были баснословно дорогими. В 2009 году на французской скульптуре XII века («Мадонна с младенцем» из Оверни) удалось найти самый ранний из известных образцов краски из Южной Азии, основу которой составляют насекомые. До этого использование такой краски ранее XV века было неизвестно, так что анализ вещества помог уточнить датировку торговых путей между Европой и Ближним Востоком и дальше — с Индией.

Это не значит, однако, что искусствоведы становятся химиками, а физики — археологами. Для корректного использования каждого из подходов принципиально важно, чтобы каждый из ученых сохранял привязку к школе и традиции своей науки и каждый же был достаточно открытым и творческим, чтобы без снобизма (в духе известного афоризма Резерфорда: «Все науки делятся на физику и коллекционирование марок») взаимодействовать с коллегой-ученым совсем из другой области. Понимать задачи друг друга и искать пути их решения.

Источник