Книга От Дарвина до Эйнштейна. Величайшие ошибки гениальных ученых, которые изменили наше понимание жизни и вселенной - Марио Ливио

«Если вслед за Лайелем, приняв, как он, химическую гипотезу, предположить, что вещества, уже соединившиеся друг с другом, можно снова разложить при помощи электролиза, посредством термоэлектрических токов, которые возникают благодаря теплу, высвободившемуся при образовании этих соединений, и таким образом химическая реакция и выделяемое ею тепло образуют бесконечный цикл, это нарушает законы физики точно так же и в такой же степени, как если бы мы сочли, будто часы, сконструированные с автоматическим заводом, способны оправдать ожидания своего талантливого изобретателя и идти вечно[105].»

В сущности, Кельвин вычислил возраст Земли напрямую и без особых изысков: поскольку Земля остывает, объяснил он, можно опереться на законы термодинамики и подсчитать конечный геологический возраст Земли, то есть время, которое понадобилось Земле, чтобы достичь нынешнего состояния, от момента образования твердой поверхности. Сама по себе эта мысль была не нова: французский физик Жозеф Фурье[106] уже в начале XIX века создал математическую теорию теплопроводности и процесса остывания Земли. Кельвин понял, что эта теория весьма многообещающа, и в 1849 году вместе с физиком Джеймсом Дэвидом Форбсом участвовал в серии измерений подземных температур, а в 1855 году стал инициатором полномасштабного геотермического исследования именно с целью вычислить возраст Земли.

Кельвин предположил, что механизм передачи тепла из земных недр к поверхности – это та же теплопроводность, которая передает тепло от сковороды, стоящей на открытом огне, к ее ручке. Тем не менее, чтобы применить теорию Фурье об остывании Земли, Кельвину нужно было знать три физические величины: изначальную внутреннюю температуру Земли, скорость изменения температуры с увеличением глубины и значение теплопроводности каменистой земной коры, то есть с какой скоростью тепло может передаваться из недр к поверхности.

Кельвин считал, что две из этих величин он может вычислить вполне надежно[107]. Геологические измерения, проведенные целым рядом исследователей, показали, что хотя в разных местах результаты получались различными, в среднем температура повышается на один градус по Фаренгейту с каждыми 50 футами глубины (эта величина называется градиент температуры). Что касается теплопроводности, здесь Кельвин полагался на собственные измерения двух горных пород и песка, которые дали ему приемлемую среднюю величину. Узнать третью физическую величину – температуру глубинных недр Земли – было крайне трудно, ведь измерить ее непосредственно нельзя. Однако подобные трудности Кельвина никогда не останавливали. Он подключил к работе свой аналитический ум и в конце концов смог приблизительно оценить неизвестную температуру. Для этого ему пришлось прибегнуть к интеллектуальному маневру, который одновременно показывает Кельвина как с лучшей, так и с худшей стороны. Конечно, Кельвин виртуозно владел научным аппаратом физики и умел рассматривать все варианты при помощи острых, как бритва, логических рассуждений, и в этом ему не было равных. Однако, как мы увидим в следующей главе, он был слишком уверен в себе, и поэтому иногда непредвиденные варианты заставали его врасплох и совершенно выбивали почву из-под ног.

Наступление на проблему внутренней температуры Земли Кельвин начал с анализа различных моделей остывания Земли. Исходил он из общего предположения, что первоначально Земля находилась в расплавленном состоянии, что было результатом выделения тепла после какого-то столкновения – либо с большим количеством мелких тел вроде метеоритов, либо с одним телом с массой, примерно равной массе Земли. Дальнейшая эволюция этого расплавленного шара зависела от качества каменных пород, которое было достоверно не известно: расширяется ли расплавленный камень после застывания, как происходит с замерзающей водой, или сжимается, подобно металлам? В первом случае можно было ожидать, что твердая кора будет плавать на поверхности жидких недр, как лед на поверхности озер зимой. Во втором – плотные камни, формирующиеся близ остывающей поверхности Земли, тонули бы и в результате, вероятно, составили бы твердую структуру наподобие каркаса, которая поддерживала бы кору на поверхности. Эмпирических свидетельств было недостаточно, однако опыты с расплавлением гранита, сланца и трахита указывали на то, что расплавленный камень сокращается в объеме и при остывании, и при отвердевании. Опираясь на эти сведения, Кельвин набросал новый сценарий. Он предположил, что до того, как породы окончательно отвердели, более холодная жидкость с поверхности опускалась к центру, и таким образом создавались конвекционные течения наподобие тех, что наблюдаются в масле на сковороде. Согласно этой модели, конвекция должна была обеспечить повсюду примерно одинаковую температуру. Следовательно, заключил Кельвин, температура повсюду была примерно равна температуре плавления каменных пород, и именно эту величину он принял за внутреннюю температуру Земли в предположении, что с тех пор ядро не слишком сильно остыло. Такая модель предполагала, что Земля практически гомогенна по физическим качествам. Однако, к сожалению, даже такая изобретательная схема не решила задачи, поскольку во времена Кельвина температура плавления горных пород была неизвестна. Поэтому ему пришлось довольствоваться оценкой – и он получил диапазон от 7000 до 10 000 градусов по Фаренгейту.

Кельвин свел все эти данные воедино и вычислил возраст земной коры – 98 миллионов лет. Оценив неопределенности исходных предположений и доступных в то время данных, Кельвин пришел к убеждению, что с некоторой достоверностью возраст Земли можно оценить в 20–400 миллионов лет[108].

Несмотря на все грубые допущения, это были подлинно блестящие выкладки. Кто бы мог подумать, что человеку под силу подсчитать возраст Земли? Кельвин взялся за задачу, которую на первый взгляд невозможно было решить, и справился с ней. Он опирался на фундаментальные научные принципы и при формулировке проблемы, и при выработке своего метода вычислений, к тому же он пользовался лучшими количественными данными, доступными в его время, причем многие измерения проделал сам. По сравнению с его дотошностью, оценки геологов показались не более чем грубыми догадками и досужими домыслами, основанными на плохо изученных на тот момент процессах вроде эрозии и седиментации.

Число, которое получилось у Кельвина – около 100 миллионов лет – полностью соответствовало и оценке возраста Солнца, которую он сделал еще раньше. Это очень важное обстоятельство, поскольку даже некоторые современники Кельвина понимали, что уверенность Кельвина в своей оценке возраста Земли по крайней мере отчасти опирается на соответствии возраста Земли возрасту Солнца. Главный тезис статьи «О возрасте солнечного тепла» и нескольких более поздних статей на ту же тему не слишком отличался от основного тезиса Кельвина при анализе возраста Земли. Ключевое предположение гласило, что единственным источником энергии, которым располагает Солнце, служит механическая энергия гравитации. Считалось, что эту энергию Солнце получало либо из падения метеоритов (так Кельвин полагал поначалу, но затем отказался от этой мысли), либо, как Кельвин предположил позднее и настойчиво повторил в 1887 году, из того, что Солнце непрерывно сжимается и распыляет гравитационную энергию в виде тепла. Однако поскольку, очевидно, такой источник энергии не неисчерпаем и в результате излучения Солнце теряет все больше энергии, Кельвин справедливо заключил, что Солнце не может вечно оставаться неизменным. Чтобы вычислить его точный возраст, он позаимствовал различные элементы из теорий образования солнечной системы, которые выдвигали немецкий философ Иммануил Кант и французский физик Пьер Лаплас. Затем он дополнил их важными соображениями о возможном сжатии Солнца из работ своего современника немецкого физика Германа фон Гельмгольца. Составив из всех этих данных одну непротиворечивую картину, Кельвин смог примерно оценить возраст Солнца. В последнем абзаце статьи Кельвин признает, что при этой оценке было много погрешностей и неопределенностей.