Доводы Кельвина и его оценки возраста

 

Еще одним ученым, кто враждебно реагировал на произведенный Дарвином подсчет времени, хотя и по другим причинам, был великий шотландский физик Уильям Томсон (1824—1907), больше известный под именем лорда Кельвина, несмотря на то что он не был возведен в звание пэра до 1892 г. (дальше мы будем называть его просто Кельвином)⁶. На вопрос Филлипса о его мнении по этому поводу Кельвин в июне 1861 г. ответил: «Подсчеты Дарвина — это нечто абсурдное»⁷.

К середине века, в годы, последовавшие за его назначением в совсем еще юном возрасте (22 лет) главой кафедры натуральной философии в университете Глазго, Кельвин приобрел значительную известность как один из создателей основных принципов термодинамики, в особенности второго ее закона. Но еще раньше он проявил интерес к вопросам соотношения между возрастом Земли и температурой в ее недрах, и первая опубликованная им в 1841 г. работа продемонстрировала его совершенное владение теорией теплопроводности Фурье, математический аппарат которой был использован им в расчетах.

Во многих отношениях Кельвин — типичнейший образец ученого викторианской эпохи: высокоинтеллектуальный, с широким кругозором, удачливый в осуществлении тех интересов, которые сочетали практическое применение научных достижений с благочестивыми взглядами, выражавшимися в вере в существование предначертанного, или божественного, порядка. (По этой причине он не мог принять эволюционную теорию естественного отбора Дарвина.) Фактически его признавали величайшим физиком своего времени⁸. Более того, «как личность он был не менее замечателен, чем его научные достижения; его гений и энтузиазм царили на любой научной дискуссии, где бы он ни появлялся. Но великолепнее всего, на мой взгляд, он выглядел на заседаниях секции А (математики и физики) Британской ассоциации... Он задавал заседанию нужный ритм от старта до финиша, как никто другой поощряя и подбадривая молодежь, собиравшуюся толпами, чтобы послушать его. Наука никогда не имела более увлеченного, стимулирующего и неутомимого лидера»⁹.

Не удивительно поэтому, что Кельвин оказался грозным соперником, чьи представления о возрасте Земли господствовали в течение последних четырех десятилетий прошлого века; они принесли новый подход к проблеме, подкрепленный высоким престижем физики.

Первая статья, которую Кельвин написал на эту тему, была опубликована в 1862 г. в популярном журнале и озаглавлена «О возрасте солнечного тепла»¹⁰. Как и в последующих работах, он исходит из предположения, что вся энергия во Вселенной имеет гравитационное происхождение и постоянно рассеивается в соответствии со вторым законом термодинамики. В статье он принимал, что Солнце с большой вероятностью представляет собой в настоящее время раскаленное жидкое тело, теряющее тепло. Поскольку Солнце как конечный объект не может обладать ни беспредельными запасами начальной энергии, ни постоянными источниками энергии — механическими или химическими, оно не может существовать в виде постоянного источника излучения энергии в течение неограниченно долгого периода времени.

 

«Солнце, следовательно, или должно было быть создано как активный источник тепла в какой-то не безмерно древний момент времени с нарушением законов природы, или же тепло, как то, которое оно уже излучило, так и то, которое у него еще осталось, приобретено естественным путем, согласно раз и навсегда установленным законам. Не считая первое допущение совершенно невероятным, мы с уверенностью можем заявить, что оно в высшей степени неправдоподобно, если только сможем показать, что второе предположение не противоречит известным физическим законам. А мы действительно можем доказать это и даже больше, лишь указав на определенные, происходящие на наших глазах процессы, которые — при условии их достаточно широкого распространения в прошлом — должны были дать Солнцу тепло в количестве, достаточном для объяснения всего того, что нам известно о его прежней радиации и нынешней температуре»¹¹.

 

Это одно из очень важных, фундаментальных положений в позиции Кельвина, которому он оставался верен и в последующие десятилетия, когда подчеркивал главенство «известных физических законов».

Как один из ныне действующих процессов, который можно экстраполировать назад во времени, Кельвин выделил метеорную активность. Тепло имеет гравитационное происхождение: единственно возможный другой источник — химический — отвергался как совершенно неадекватный. Первичная потенциальная энергия метеоров последовательно преобразуется в кинетическую энергию при их сближении и в тепло при столкновении. В соответствии с законом сохранения энергии генерированное при этом тепло должно быть в точности эквивалентно первичной потенциальной энергии. Таким образом, если первичная масса метеорных скоплений известна и если допустить, что они первоначально находились в покое относительно друг друга, то количество тепла, образованного при столкновении, можно легко подсчитать, исходя из известного механического эквивалента тепла. Быстрое столкновение приводит к образованию горячей расплавленной массы.

Возникновение идеи восходит к небулярной гипотезе Канта-Лапласа, дополненной энергетической концепцией Гельмгольца и Кельвина. По расчетам Кельвина, около половины первоначальной потенциальной энергии системы теряется чуть ли не сразу, но, с другой стороны, плотность Солнца, несомненно, сильно увеличивается с глубиной, что должно было обеспечивать дополнительную генерацию тепла при его формировании. Подсчеты, сделанные с учетом обеих возможностей, привели его к следующему заключению:

 

«Судя по всему, наиболее вероятным представляется вывод, что Солнце не освещало Землю в течение 100 000 000 лет, и уж почти наверняка оно не делало этого в течение 500 000 000 лет. Что касается будущего, то мы с той же степенью уверенности можем заявить, что обитателям Земли не так уж много миллионов лет осталось наслаждаться необходимым для их жизни светом и теплом, если только в великих кладовых Вселенной не заготовлены какие-то еще не известные нам источники энергии»¹².

 

В этой ранней статье мало догматизма, который вкрался в его работы позднее, а в своих заключениях Кельвин проявляет большую осторожность, хорошо сознавая неточность количественных оценок. Однако он уже чувствовал себя достаточно уверенно, чтобы быстро разделаться с Дарвином.

 

«Что же остается нам в этом случае думать о таких геологических оценках, как 300 000 000 лет для «денудации Вельда»? Что же вероятнее — то, что физические условия, в которых находится вещество на Солнце, отличаются более чем в тысячу раз, чем это допускает термодинамика, от условий в наших лабораториях или что штормовое море, возможно с неимоверной силы приливами, вгрызается в меловые утесы в тысячу раз быстрее, чем на один дюйм в столетие, как это подсчитал господин Дарвин?»¹³.

 

Смысл скрытого намека ясен. Ведь если придется делать решительный выбор между оценкой физика, основанной на всеобщих законах, и оценкой геолога, к которой примешивается вся присущая геологии неопределенность в представлениях о скорости процессов, то мы неизбежно выберем первую из них.

Непосредственно вопрос о Земле и ее вековом остывании Кельвин рассматривает в другой статье, опубликованной годом позже¹⁴. Он давно был убежден, что распределение тепла внутри Земли является ключом к определению ее возраста, представления же о Земле, как о первоначально горячем, расплавленном шаре, который постепенно остывал, были высказаны еще Декартом и Лейбницем. О грубой оценке возраста Земли, сделанной на основе этого предположения Бюффоном, мы уже упоминали. В данном случае неважно, образовалась ли Земля за счет бомбардировки холодного ядра большим количеством метеоров, или, как предпочитал думать Кельвин, в результате столкновения двух крупных масс, или каким-то другим образом. Единственно, что необходимо было допустить для вычисления возраста — это первоначально расплавленное состояние земного шара.

Кельвин поддерживал идею о том, что остывающие вблизи земной поверхности и предположительно сжимающиеся при этом породы погружались раньше, чем наступало их затвердевание; это приводило к образованию конвективных течений, поддерживающих тепловое равновесие в объеме всей Земли вплоть до начала затвердевания, которое распространялось от центра к внешним оболочкам. Когда в конце концов образовалась земная кора, Земля превратилась в твердый шар с одинаковой повсюду температурой.

Для того чтобы применить математический аппарат Фурье, требовалось знать следующие параметры: а) внутреннюю температуру, б) температурный градиент у поверхности и в) теплопроводность пород. Из них лучше всего был известен температурный градиент, составляющий в среднем около 1° по Фаренгейту на 50 футов. Кельвин выполнил собственные измерения теплопроводности пород; серьезные трудности возникли только с определением внутренней температуры. Для этого было необходимо принять определенную модель затвердевания Земли и сделать допущение, что температура неостывшего внутреннего ядра сопоставима с обычной температурой плавления горных пород на земной поверхности.

Кельвин не преуменьшал трудностей, связанных с расчетами на базе таких данных, и признавал, что отсутствуют данные о влиянии высоких температур на теплопроводность и удельную теплоемкость горных пород, а также об их скрытой теплоте плавления. Тем не менее он был убежден, что сведений вполне достаточно, чтобы обеспечить определение возраста Земли в разумных границах. По его мнению, ближе всего к истине была оценка в 98 млн. лет с нижним и верхним пределами 20 и 400 млн. лет.

В статье подробно рассматривалась модель стабильной Земли Лайеля, которая уподоблялась вечному двигателю, и подчеркивалось, что такая модель не учитывает принципов термодинамики, особенно второго ее закона. Не признавая великих геологических катастроф, Кельвин указывал, что охлаждение Земли, несомненно, воздействовало на ход таких процессов, как вулканизм, испарение, выпадение атмосферных осадков, эрозия, причем все они неизбежно должны были ослабевать со временем.

Заметим мимоходом, что за два десятилетия до этого кембриджский физик Хопкинс в президентском обращении к Лондонскому геологическому обществу опередил Кельвина в данном вопросе. Он обратил внимание на то, что существование геотермического градиента предполагает остывание Земли, а остывающая Земля подразумевает некоторое направленное изменение во времени, что противоречит униформистской доктрине¹⁵. Это, однако, согласуется со взглядами более раннего поколения геологов, таких, как Букланд, Седжвик и Конибер.

В 1868 г. Кельвин выступил на заседании Геологического общества Глазго, а через три года его доклад о геологическом времени был опубликован¹⁶. В нем он продолжал свои нападки на униформизм, но по совершенно непонятным причинам целью его атак оказался Плейфер, а не Лайель. (У нас, правда, нет свидетельств, что он внимательно познакомился с трудами Лайеля.)

Бóльшая часть доклада была посвящена еще одному доводу, связанному с явлением приливного трения, которое, как полагал Кельвин, накладывает определенные ограничения на возраст Земли. Приливы должны действовать как своего рода тормоз, замедляющий вращение Земли. Если определить величину ежегодного замедления, то, экстраполируя обратный ход процесса, можно было установить время затвердевания Земли. Кельвин предполагал, что таким способом можно приблизительно ограничить верхний предел возраста Земли, и, хотя он отказывался назвать точную цифру, этот метод, по его мнению, по крайней мере в принципе, достаточно хорош для опровержения построений униформистов.

Более четко свои антиуниформистские взгляды Кельвин выразил в опубликованной несколькими годами ранее статье, специально посвященной этому вопросу¹⁷:

 

«Доктрина униформизма» в геологии, как считали многие из самых выдающихся британских геологов, принимает, что по температуре и другим физическим параметрам земная поверхность и верхняя часть земной коры оставались почти такими же, как сейчас, в течение миллионов и миллионов лет. Но, как мы знаем из наблюдений, количество тепла, выделяемое сейчас Землей, настолько велико, что если бы этот процесс продолжался примерно в таких же размерах в течение 20 000 млн. лет, то Земля бы потеряла примерно столько тепла, сколько требуется для нагрева до 100°С обычных для поверхности Земли горных пород объемом в 100 раз больше объема всего земного шара... Такого количества тепла было бы более чем достаточно, чтобы расплавить массу приповерхностных пород, равную всей Земле. Ни одна обладающая хотя бы намеком на правдоподобие гипотеза, касающаяся проблемы химических процессов, текучести вещества в недрах, действия давления на больших глубинах или предполагаемого состояния вещества во внутренних частях Земли, не может допустить предположения, что верхняя кора Земли оставалась почти такой же, как теперь, в то время, как. Земля или какая-то ее часть теряла тепло в таких огромных количествах».