Лорд Кельвін, Дарвін та вік Землі Урок наукового професіоналізму
Одні з найбільших учених,
ретельно вивчаючи докази, надані геологією,
вони дійшли висновку, що наш світ є
надзвичайно стара, і вона може мати рацію.
Але лорд Кельвін дотримується іншої думки.
Він обережний, у нього консервативне бачення ...
і він справедливо вірить,
що світ не такий старий, як кажуть.
Тому що лорд Кельвін є найбільшим науковим авторитетом сьогодні,
Я думаю, що ми повинні поступитися і прийняти його погляди.
Марк Твен, Листи з Землі
Однією з найперших проблем людей був вік Землі. Якщо Арістотель (384–322 рр. До н. Е.) В «Метеорології» вважав, що світ вічний, пізніше християнські та ісламістські вчені висували інші ідеї, спираючись на священні релігійні книги. аль-Біруні (близько 973–1050 рр.) оцінив вік Землі менш ніж 10 000 з Буття, а єпископ Джеймс Асшер (1581–1686) був надзвичайно точним: Земля була створена “в ніч на 23-е. Жовтень 4004 р. До н. Е. ”. Біблійні розрахунки Асшера вразили аудиторію, яка зазнала сильного впливу християнської релігії, так що запропонована ним дата стала стандартною хронологією.
Перша спроба науково оцінити вік Землі належить датчанину Ніколаю Стено (1638-1686), який запровадив (1669) чотири принципи для визначення відносного геологічного віку. В основному Стено завдав вирішального удару попереднім спробам використовувати релігійні джерела для вікових геологічних досліджень: історію Землі слід шукати не в людських працях, а в земних скелях.
У 1788 р. Шотландець Джеймс Хаттон опублікував свої дослідження щодо кількох природних процесів (дії хвиль, ерозії, спричиненої проточною водою, і явищ транспорту та осадження відкладень) у вражаючій праці "Теорія Землі"; або Дослідження законів, що спостерігаються у складі, розчиненні та відновленні земель на земній кулі. Будучи першим спеціалізованим трактатом, Хаттон вважається батьком-засновником сучасної геології.
Трактат Хаттона був важким для написання, використовувані терміни були незнайомими і важкими для розуміння, тому відгомін першої книги з геології був обмеженим. Заслуга юриста-любителя і геолога Чарльза Лайєлла полягає в тому, що він обробив ідеї і концепції Хаттона мовою, набагато доступнішою для читачів свого часу, опублікувавши в 1830 р. Перше видання тому Принципи геології. Примірник цієї книги був переданий молодому Чарльзу Дарвіну, коли він розпочав бігль у 1831 році.
Університетська геологічна модель (те, що відбувається зараз, траплялося в минулому - теперішнє є ключем до минулого), спочатку запропонована Хаттоном, а пізніше використана Лайелем, не дала точних оцінок віку Землі. Виходячи з принципів Steno, було сказано лише, що шари нижче старіші за ті, що зберігаються вище, але скільки років деякі були або не були вказані. На межі вважалося, що це надзвичайно довгий проміжок часу.
Чарльз Дарвін у повній мірі скористався цією геологічною неточністю, розробляючи свою еволюційну теорію. Для того, щоб мати можливість покластися на надзвичайно повільну роботу механізму природного відбору, Дарвіну потрібно було величезну кількість часу, щоб виправдати органічну еволюцію, яка присутня в копалинах.
Як виправдання величезного геологічного часу, який йому потрібен, Дарвін навів приклад ерозії скелі Морського моря в Сассексі на південному сході Англії. Припускаючи швидкість ерозії 2,5 дюйма на століття, Дарвін висунув думку, що для отримання загальної кількості ерозії, яку зазнала порода Веальда, знадобилося б 300 мільйонів років. З цією фігурою погодився його наставник Чарльз Лайєлл.
Слід зазначити, що швидкість ерозії (2,5 см/століття), передбачена Дарвіном, була просто припущенням, без будь-яких польових або лабораторних вимірювань. Уніформіанська модель Хаттона-Лайєлла, яка вважала відкладення/ерозію осадів дуже повільним процесом, могла дозволити вибрати будь-який бажаний проміжок часу: наприклад, сто, тисяча або один мільйон років, наприклад. Дарвін не мав вибору на основі відповідних наукових спостережень або конкретних лабораторних/польових вимірювань, він, як я писав, був лише геологом-аматором. Отже, «Походження видів» використовувало геологічну модель, що існувала на момент публікації книги (1859), та довільний геологічний час - 300 мільйонів років -, щоб дозволити функціонування природного відбору. Хоча Дарвін мав намір лише надати грубу тимчасову оцінку, щоб виправдати свою ідею, його твердження викликало багато суперечок - настільки, що він був змушений взагалі вилучити його з пізніших видань своєї роботи.
Магічна цифра - 300 мільйонів років - викликала негативну реакцію найбільшого фізика ХІХ століття Вільяма Томпсона (1824 - 1907), який згодом став лордом Кельвіном. Молодий фізик був заінтригований (і спровокований) постаттю, висунутою Дарвіном, яку він вважав "абсурдною".
У 1861 році лорд Кельвін почав атакувати приміщення геологічної моделі, запропонованої Хаттоном (і використаної Дарвіном у 1859 році), яка передбачала нескінченний вік Землі. Основна атака була зосереджена на швидкості геологічних процесів (наприклад, ерозії), які були надзвичайно невизначеними, а іноді і неможливими для вимірювання на місцях. Другий напад був на припущення Хаттона, що хімічні реакції всередині Землі постійно виробляють тепло і, таким чином, підтримують планету в стабільному тепловому стані. Якби Земля була нескінченного віку, за Хаттоном, такий стан був би еквівалентний вічній машині, що виробляє тепло, тобто порушенню Першого закону термодинаміки.
Лорд Кельвін поставив за мету визначити абсолютний вік Землі на науковій основі, за безпосередньої підтримки польових та лабораторних вимірювань. Його аргументи та модель розрахунку мали геотермальний характер: Земля була сформована акрецією, яка генерувала механічне тепло, яке вважалося тоді (XIX століття) єдиним джерелом внутрішнього тепла на планеті. На момент утворення планета перебувала в розплавленому стані (
2000 ° С), після чого він почав безперервно охолоджуватися. Докази: вимірювання геотермального градієнта в гірських свердловинах, що свідчило про стійке падіння температури з глибини до поверхні.
Геотермальна модель, розроблена лордом Кельвіном, була елегантною математичною конструкцією, яка була закріплена трьома основними опорами: початковою температурою ядра Землі (
2000 ° С), геотермальний градієнт і теплопровідність порід. Останні дві змінні вимірював сам Келвін [1].
У 1862 році лорд Кельвін опублікував свій аналіз у статті "Про світське охолодження Землі".
За його підрахунками, вік Землі становив би від 20 до 400 мільйонів років, з найбільш вірогідним значенням 100 мільйонів років. Тут слід підкреслити, що оцінка Келвіна не була просто аматорською гіпотезою чи спекуляцією. Він базувався на точній математичній моделі, дотримуючись законів термодинаміки, а також на польових та лабораторних вимірах.
Вплив статті Кельвіна був надзвичайним: якщо вік Землі становить лише 100 мільйонів років, це означає, що для еволюції не було достатньо часу для пояснення різноманітності форм життя, передбачених Дарвіном. Напади Кельвіна на геологію та напади Дарвіна залишились без послідовної та організованої реакції атакованих. На той час геологія не користувалася науковим станом фізики. А Кельвін - ранній геній, який опублікував свою першу наукову роботу у віці 16 років і лише у 22 роки став володарем знаменитої кафедри в Університеті Глазго - насолоджувався гігантським інтелектуальним статуром. Крім того, Кельвін отримав вік Землі за кількісними та повторюваними вимірами, використовуючи закони фізики та елегантну математичну модель. Якщо додати до цієї ситуації його аргументи щодо невизначеності геологічних даних, ми легко зрозуміємо, що підхід Кельвіна був руйнівним для Дарвіна та його теорії.
Кельвін прямо напав на Дарвіна, саркастично запитуючи: Чи були мої лабораторні вимірювання та математичні розрахунки неправильними, або, швидше за все, „бурхливе море з припливом, можливо, надзвичайним насильством, розірве 1000-футовий крейдяний камінь? або швидше, ніж оцінка містера Дарвіна на один дюйм на століття? "[2]
Дарвін жахнувся: минуло лише три роки з моменту публікації "Походження видів", і тут він залишився без головного аргументу механізму природного відбору - величезної кількості часу. Він писав Альфреду Расселу Уоллесу, що "погляди Томпсона на недавній вік світу вже давно стали однією з найболючіших проблем". І він благає свого наставника Чарльза Лайєлла: “Після того, як я так сильно обпек свої пальці над проблемою Уельдена, я боюся за вас”. Але заради Бога, бережіть свої пальці; спалювати їх сильно, як я це робив, дуже неприємно ".
Кельвін двічі перерахував вік Землі, використовуючи різні початкові умови для температури ядра Землі. У 1866 році він зменшив верхню вікову межу до 100 мільйонів. У 1897 році Кельвін підрахував, що Землі буде від 20 до 40 мільйонів років, що часто менше часу Дарвіна, необхідного для функціонування природного відбору. Безсумнівно, цей останній розрахунок був серйозним ударом по теорії, запропонованій у "Походженні видів". У всіх наступних виданнях своєї книги Дарвін, який помер у 1882 році, видалив неспокійний абзац віком 300 мільйонів років.
Науковий підхід Кельвіна отримав нове і рішуче підтвердження в 1899 р., Коли ірландський фізик Джон Джолі (1857 - 1933) розробив надійний і простий метод оцінки віку Землі. Він розділив загальний вміст солі в океанах на швидкість транспортування солі в морі річками. Джолі підрахував, що океанам знадобилося від 80 до 90 мільйонів років, щоб накопичити свою сіль.
Коли два абсолютно різних методи (Кельвін та Джой) дають подібний вік Землі, можна сказати, що "наука говорила" і що немає (багато) місця для сумнівів. За винятком того, що наукові істини не є абсолютними - урок, який слід викласти/зрозуміти у всій його філософській значущості та глибині.
Р.Т. Чемберлін, патріарх американської геології, напав у 1899 р. На припущення Кельвіна, що Земля - це замкнута система, початкова спека якої поступово зменшується. Він припустив, що невідома на той час внутрішня структура атомів може містити значну кількість енергії. [3]
Інтуїція Чемберліна виявилася істинною. Відкриття природної радіоактивності та нова атомна фізика, безсумнівно, показали, що деякі гірські породи (граніти, гранодіорити, діабази, глини та ін.) Містять значну кількість мінералів (особливо урану, торію та калію), які внаслідок спонтанного розпаду виділяються так зване радіоактивне тепло. Ця спека іноді може мати значні значення. Наприклад, ми встановили, що гірські породи в штаті Оклахома дають в середньому 2,5 мВт/м ^ 3. Середні світові значення виробництва радіоактивного тепла знаходяться в межах 1,9 - 2,4 мВт/м ^ 3.
На додаток до існування радіоактивного тепла, ще одна критика серйозно зменшила значення моделі Кельвіна для розрахунку віку Землі. Лорд Кельвін припускав, що розповсюдження тепла від серцевини до поверхні відбувається лише за допомогою провідності (передача тепла через тверді породи). Але геофізики також вказали на наявність явища конвекції, коли тепло поширюється через рідини, такі як астеносфера в основі земної кори або верхня мантія. Більше того, конвекційне поширення тепла сьогодні вважається головним механізмом теплопередачі всередині Землі.
Лорд Кельвін спочатку відкинув ідею про те, що радіоактивність може виділяти значну кількість тепла, але в 1904 році він публічно відмовився від своєї моделі розрахунку віку Землі, яка створила кошмари Дарвіна.
Радіоактивне датування підрахувало абсолютний вік Землі (4,5 мільярда років) та його порівняння з іншими гірськими породами, зібраними на Місяці або принесеними метеоритами. Враховуючи такий інтервал часу, природний відбір, запропонований Дарвіном як еволюційний механізм, мав достатньо часу, щоб викликати зміни в життєвих формах.
Хоча його модель була зневажена новими відкриттями, лорд Кельвін запропонував чудовий урок наукового професіоналізму своїм сучасникам та майбутнім поколінням геологів, геофізиків, біологів тощо.
БІБЛІОГРАФІЯ
Аджа, С. У., і К. Крангуану, 2013 р., Дослідження системи Землі, Kendall Hunt Publishing Co.
[1] Для прикладу моделі Кельвіна див. Мою докторську дисертацію „Тепловий потік в Оклахомі”, розроблену в 1997 р. Я використав понад 120 вимірювань геотермальних градієнтів у штаті Оклахома і за допомогою кількох студентів виміряв: понад 1500 теплопровідності гірських порід з різних свердловин та різної глибини. Нарешті, ми створили перші карти теплового потоку та радіоактивного тепла в Оклахомі.
У 2012 році моя докторська дисертація, доповнена іншими внесками, була опублікована в книзі Тепловий потік в Оклахомі та на півдні центральної частини Сполучених Штатів: Всебічне дослідження теплового потоку та виробництва тепла.
[2] Сер Вільям Томпсон, лорд Кельвін, 1900, Ера сонячного тепла, в “Нариси з астрономії”, за ред. Едвард Сінглтон Холден, Д. Аплетон і Ко., Нью-Йорк, с.49.
[3] Далрімпл, Г. Б., 2004, Стародавня Земля, стародавнє небо: Вік Землі та її космічне оточення, Стенфордський університетський прес, Стенфордський університетський прес, Каліфорнія, с.36.