Существует два основных подхода к датированию – относительный и физический (то есть основанный на законах физики, иногда его называют также радиометрическим или абсолютным). Используя первый метод, мы сравниваем возраст того или иного объекта или слоя, в котором был найден объект, с другим объектом или слоем: один объект может быть моложе или же они (с той погрешностью, которую допускает метод в данном случае) могут быть примерно одного возраста. Геологический закон суперпозиции гласит, что если нет явных свидетельств вмешательства, изменившего первоначальное положение слоев в геологической последовательности, то вышележащий слой всегда моложе нижележащего. На этом принципе и построено относительное датирование.

Иногда в осадочных отложениях целого региона удается различить следы таких геологических событий, как цунами или извержение вулкана, и можно предположить, что окаменелости или археологические артефакты, ассоциированные с этим событием, современны ему – а значит, и друг другу. Однако относительная датировка не может сказать нам, каков настоящий возраст этих артефактов, она лишь сообщает, какие из них старше, какие моложе, а какие имеют примерно одинаковый возраст. Если я, копаясь в своем саду, найду римскую керамику, похожую, скажем, на керамику из римского дворца Фишборн в Сассексе, то смогу предположить, что моя находка примерно того же возраста, что и керамика из Фишборна. Но без независимых данных о возрасте дворца (и керамики, найденной в нем) я ничего больше не смогу узнать о своих черепках. Больше сведений об относительном возрасте мне дадут, например, римские монеты в Фишборне, но я могу узнать и абсолютный возраст своих глиняных черепков – нужно только найти специалиста по люминесцентному датированию (об этом чуть позже) и попросить его определить по физическим сигналам, насколько давно обжигали глину.

Чтобы продвинуться дальше относительного датирования, нам понадобятся физические часы, которые будут отсчитывать время от момента формирования данного слоя, показывать, сколько времени назад умерло то или иное животное или растение, как давно произошло то или иное событие – например, когда побывал в огне конкретный глиняный черепок или кусок кремня. Многие подобные часы измеряют время по естественному распаду изотопов. Изотопы – это разновидности атомов того или иного элемента, имеющие разный атомный вес (потому что они содержат разное число частиц, называемых нейтронами). В рамках науки о датировании хорошо изучены, в частности, изотопы углерода и аргона. Например, калий-аргоновый метод (K-Ar) используется для датирования вулканических пород. Атомы калия включают нестабильный изотоп калий-40, который за миллионы лет постепенно превращается в атом газа аргона. Во время извержения вулкана жидкая лава и горячий пепел содержат небольшое количество изотопа калий-40, но когда лава остывает и твердеет, калий-40 начинает постепенно переходить в аргон. Примерно за 1,25 миллиарда лет половина изотопов калий-40 превращается в аргон – таков период полураспада калия-40. Примем, что во время извержения вулкана, бурного и мощного, весь имевшийся аргон из породы улетучился (обычно это разумные допущения) и что новообразованный при распаде калия-40 аргон весь остался в твердой породе. Тогда по количеству аргона можно рассчитать время, прошедшее с момента затвердения лавы.

В археологии этот метод получил широкую известность в связи со знаменитым датированием вулканического материала из самых нижних слоев местонахождения в Олдувайском ущелье в Танзании. Их возраст получился 1,8 млн лет. В 1960 году это стало настоящей сенсацией, потому что мы впервые поняли, какова на самом деле древность артефактов и остатков человекоподобных существ из Олдувая (слой I) – в два раза древнее, чем считалось раньше. В усовершенствованном варианте калий-аргонового метода используется распад аргона-40 в аргон-39 (метод Ar-Ar), что позволяет более точно датировать отдельные кристаллы вулканической породы именно в том временном диапазоне, когда происходила эволюция человека.

Самый известный метод определения абсолютного возраста – радиоуглеродное датирование, использующее нестабильность одной из форм углерода. В основе метода лежит тот факт, что в верхних слоях земной атмосферы при воздействии солнечной радиации из атомов азота постоянно образуется радиоактивный изотоп углерода – углерод-14. Этот нестабильный изотоп поступает в ткани живых организмов наравне с обычным (стабильным) углеродом-12. После смерти организма поступление в ткани тела тяжелых изотопов углерода-14 прекращается, и радиоактивный углерод-14, накопленный организмом в течение жизни, начинает распадаться: каждые 5700 лет распадается половина углерода-14, то есть временной диапазон этого метода гораздо меньше, чем калий-аргонового. Сравнив количество двух изотопов углерода в органическом материале – в кости или в куске угля, – можно установить время смерти животного или растения.

В 1949 году американский химик Уиллард Либби со своими коллегами впервые проверил, как работает радиоуглеродный метод, изучив дощечку из дерева акации из гробницы фараона Джосера (жившего около 5000 лет назад). Либби рассудил, что если период полураспада углерода-14 составляет примерно 5000 лет, то в дощечке его должно содержаться примерно вполовину меньше, чем в живом современном дереве. Что и подтвердилось. За эту работу и за дальнейшие исследования Либби получил в 1960 году Нобелевскую премию. Данный метод не удается использовать для датировки очень древних материалов, потому что углерода-14 остается в них настолько мало, что его трудно измерить сколько-нибудь точно. Радиоуглеродное датирование перестает быть особенно надежным где-то на отметке в 30 тысяч лет.

Кроме того, как теперь стало понятно, изначальное предположение о постоянстве темпов образования и утилизации углерода-14 можно принять лишь с большой натяжкой, ведь нужно учитывать колебания космической радиации и изменения глобальной атмосферной циркуляции. Поэтому специалисты предпочитают говорить о “радиоуглеродных” годах, а не о настоящих (календарных) годах.

Все это означает, что радиоуглеродное датирование нужно перекрестно проверять другими, независимыми (или калибровочными) методами. Для датирования последних 10 тысяч лет особенно полезными оказались несколько методов, и все они построены на подсчете годичных слоев. Первый – дендрохронология, она ориентируется на годичные кольца деревьев. Годичные кольца разных кусков древесины из сохранившихся зданий, кораблей, естественных отложений накладывают перекрывающимися участками, и в итоге составляется длинный непрерывный ряд годичных колец, каждое с характерной толщиной и расстоянием до соседних колец. У каждого такого кольца есть точный “год рождения”. Затем эту последовательность можно сопоставить с радиоуглеродными данными из тех же образцов.

Также для взаимного сопоставления можно считать годичные слои донных отложений ледниковых озер (варвы), а потом из каждого слоя взять остатки животных или растений и измерить их возраст радиоуглеродным методом. Наконец, есть метод, в котором радиоуглеродные данные берутся из годичных слоев льда (на ледниках или в арктических областях); он имеет и дополнительные преимущества, потому что во льду, в каждом слое, заключены воздушные пузырьки, захваченные при замерзании того или иного слоя, они хранят частичку древней атмосферы. Получается как будто серия мгновенных кадров состава атмосферы, снятых в момент замерзания.