Лорд Кельвин. Классическая термодинамика - Антонио М. Лальена Рохо Страница 33

Друг Томсона Стокс указал на то, что если бы метеориты падали на Солнце из точек, более близких к нему, чем Земля (что разрешало предыдущую трудность), но дальше, чем Меркурий или Венера, орбиты этих планет также изменились бы.

Когда в 1859 году французский математик Урбен Жан Жозеф Леверье открыл смещение перигелия орбиты Меркурия, он смог установить точные границы этого изменения, косвенно вынудив метеориты, ответственные за производство солнечного тепла, располагаться с самого образования звезды между нею и Меркурием, что невозможно, поскольку их никто никогда не наблюдал.

После того как была отвергнута метеоритная гипотеза, пришлось подождать некоторое время, пока в 1856 году фон Гельмгольц не предположил, что энергия, излучаемая Солнцем, и, следовательно, его светимость могут происходить из трансформации его гравитационной энергии. В работе «0 возрасте солнечного теша», опубликованной в 1862 году, Томсону удалось оценить возраст звезды на основе гипотезы фон Гельмгольца. Так, он установил, что время, в течение которого Солнце могло греть и освещать Землю, составляет от 10 до 20 миллионов лет, при этом маловероятно, что это происходит в течение 100 миллионов лет, и ни в коем случае - в течение 500 миллионов лет или больше. Действительно, если рассмотреть имеющиеся сегодня знания о величинах, участвующих в вычислениях ученого (универсальная гравитационная постоянная, профиль плотности Солнца, его масса и его радиус), то результат будет равен - самое большее - примерно 50 миллионам лет. Совпадение в оценках возраста Солнца и Земли придало теории Томсона еще большую весомость, хотя она и противоречила оценкам геологов и биологов.

Авторитет Томсона и строгость его расчетов затрудняли какую-либо критику полученного результата. Однако сегодня известно, что действительность ближе к значению, предложенному геологами XIX века, исходившими из качественных наблюдений. Методы радиоизотопного датирования, основанные на измерении числа различных радиоактивных атомов, присутствующих в геологических образцах или метеоритах, позволили определить возраст Земли с большой точностью, и сейчас принято значение 4500 миллионов лет, то есть в 5-20 раз больше, чем предложенное Томсоном.

Жители Земли не смогут продолжать наслаждаться светом и теплом, необходимыми для их жизни, в течение многих миллионов лет, если только в огромном складе мироздания не окажутся подготовленными источники тепла, неизвестные нам на данный момент.

Уильям Томсон

В чем была ошибка Томсона? Джон Перри (1850-1920), ирландский инженер и математик, а также помощник Томсона, рассказывает, что иногда его просили как-нибудь покритиковать расчеты Томсона, и всегда он отвечал одно и то же: «невозможно, чтобы лорд Кельвин совершил какую-нибудь ошибку в расчетах», и добавлял, что, может быть, секрет кроется в гипотезах, на которые опирался ученый. Каковы же были эти гипотезы? Вспомним, что основным вопросом в расчете Томсона было сохранение энергии, которым он воспользовался для анализа модели Земли — твердого тела с физическими свойствами, однородными по всему объему. При этом не существует дополнительных источников энергии или тепла, кроме того, что предоставлен начальным состоянием при постоянной и однородной температуре.

Обнаружение радиоактивности означало новый взгляд на эту проблему, поскольку сразу же была открыта роль ядерного распада в качестве источника энергии и, следовательно, возможный эффект, который следовало учитывать при оценке возраста Земли и Солнца. В случае с Землей включение этого нового источника тепла в расчет Томсона не изменило бы результатов слишком сильно. Это связано с тем, что на испускание тепла поверхностью планеты по-настоящему повлияла бы только радиоактивность, присутствующая в тонком поверхностном слое, так что даже учет земной радиоактивности в модели Томсона не позволил бы вычислить реальный возраст Земли. Сам Томсон придерживался своей идеи до конца жизни и продолжал доверять своим оценкам возраста нашей планеты.

Однако ситуация с радиоактивностью на Земле очень отличается от ситуации на Солнце, энергия которого, как мы знаем сегодня, является результатом ядерного синтеза: ядра водорода соединяются, образуя атомы гелия. Следовательно, учет ядерных и радиоактивных процессов значительно изменил бы оценку Томсона, касающуюся времени, в течение которого Солнце испускает тепло.

За год до открытия радиоактивности и за несколько лет до того, как была осознана ее роль в качестве источника тепла, Перри наметил решение. Для этого он включил в земную модель Томсона значительное новшество. Воспользовавшись своими же советами, Перри проанализировал гипотезу коллеги и вместо того, чтобы считать Землю твердым телом, предположил, что скалистая твердая часть составляет лишь внешний слой толщиной несколько десятков километров, а внутренняя часть мантии Земли расплавлена. Это фундаментальное изменение предполагало большую теплопроводность, чем в модели твердой Земли, поскольку при этом появляется второй механизм теплопередачи - конвекция, намного более эффективная, чем диффузия, в нетвердых средах. Перри, говоря о возрасте Земли, оценивал его в миллиарды лет, но его оценка не была принята в расчет. Отверг ее и сам Томсон. Однако спустя некоторое время радиоизотопное датирование позволило отдать гипотезе Перри должное. Современные исследователи Ингланд, Молнар и Рихтер в своей работе «Кельвин, Перри и возраст Земли» {American Scientist, 2007) уверяют, что если бы наука вовремя прислушалась к Перри, то важная для геодинамики теория дрейфа континентов была бы принята задолго до того, как это в итоге произошло.

Проблема возраста Земли вновь вышла на передний план в последние годы. «Креационистское» движение, которое в последнее время начало набирать силу и даже смогло изменить преподавание научных дисциплин в некоторых американских штатах, упорно выступает против достоверных результатов, полученных с помощью радиоизотопного датирования и геологических и биологических свидетельств. Креационисты утверждают, что Земля насчитывает самое большее примерно 10 тысяч лет и, следовательно, является самой молодой планетой. Интересный документ, оспаривающий доводы креационистов, на которых они строят свои расчеты, можно увидеть в работе Брента Далримпла под названием «Сколько лет Земле. Ответ «научному» креационизму».

Как уже было сказано, Томсон, вычисляя возраст Земли, допустил ошибки. И все же его попытка была прекрасным примером применеиия физики к проблеме, выходящей за рамки этой дисциплины. В наше время, когда междисциплинарность оказывается преимуществом в любых обстоятельствах, очень важно иметь перед глазами такой пример, как работа Томсона, который более 100 лет назад стремился использовать на практике некоторые понятия и законы физики.

И даже явный промах Томсона стал очень продуктивной ошибкой, потому что он вынудил научные сообщества геологов и биологов изменить методы исследований, развивать количественные техники и в то же время учитывать законы физики. Это стало очень важным изменением (которое даже можно назвать точкой бифуркации) в исследованиях, ведущихся с тех пор в этих естественных науках.