Текст книги "Великие противостояния в науке. Десять самых захватывающих диспутов"

Автор книги: Хал Хеллман

сообщить о нарушении

Текущая страница: 11 (всего у книги 21 страниц)

Возраст Земли

Дело касалось возраста Земли. За 100 лет до этого такой вопрос практически не обсуждался. Многие утверждали, что в Священном Писании четко сказано – Земле около «6000 лет. Самым ярым сторонником этой точки зрения был ирландский епископ XVII века Джеймс Ашер. С помощью сложной комбинации библейской хронологии, исторических свидетельств и астрономических циклов он уточнил первые оценки и в середине 50-х годов XVII века установил 4004 год до н.э. как год творения. Эта цифра в течение 200 лет использовалась в английских изданиях Библии.

Наука во времена Ашера во многом поддерживала такую идею, а многие натуралисты были к тому же еще и церковниками. Хороший пример – Уильям Уистон (1667–1752), английский теолог, математик и астроном. Он одним из первых начал применять эксперименты на своих лекциях в Лондоне и тем не менее использовал собственное понимание науки и вычислил, что библейский потоп, который пережил Ной, начался в среду, 28 ноября, в год, определенный Ашером. Он (и другие церковники) сделали множество подобных подсчетов.

Еще одним следствием изучения Писания было принятие мысли, что такие катаклизмы и катастрофы, как потоп времен Ноя, играли важнейшую роль при формировании поверхности Земли. Считалось, что последствия этих катастроф объясняют многие поразительные детали земного ландшафта. Согласно учению о катастрофах, Земля молода и неизменна (если не обращать внимания на такие незначительные события, как извержения вулканов и землетрясения).

Проблема заключалась в том, что последние наблюдения и теории противоречили таким основанным на Библии идеям. Бюффон, с которым мы встречались в главе 4, наверное, первым в эту добропорядочную христианскую эпоху попытался отодвинуть момент возникновения Земли на более ранний период, чем 4004 год до н.э. Высчитав скорость остывания Земли из предполагаемого расплавленного состояния, он получил результат в 70 тысяч лет. Но важнее, чем само число, которое он позже значительно уточнил, и даже важнее, чем противоречивый характер таких результатов, было предположение, что природа рациональна и раскроет свои секреты тем, кто научится читать и понимать ее язык.

Еще одним из первых исследователей возраста Земли был француз Бенуа де Майе (1656–1738). Натуралист-любитель, он в своих вычислениях исходил из наблюдений за понижением уровня моря. Интересно, что у него получился результат в два миллиарда лет, что приближается к современным оценкам.

Чтобы защититься от нападок, де Майе представил свои открытия в виде вымышленных бесед французского миссионера и индийского философа по имени Теллиамед (прочитанная наоборот французская транскрипция фамилии де Майе). Возможно, помня о судьбе Галилея, он не спешил с публикацией работы, которая вышла в свет только в 1748 году, через 10 лет после его смерти, и мало повлияла на ситуацию.

Делались и другие попытки определить истинный возраст Земли, и к эпохе Томсона было выдвинуто уже множество предположений, основанных на самых разных методах. Самым авторитетным и эффективным опровержением христианской идеи об очень молодой Земле, формирующейся благодаря катастрофам, была мысль, которую высказал уважаемый британский геолог Чарльз Лайель (1797–1875). Лайель утверждал, что катастрофы не играли заметной роли, а особенности земного рельефа можно объяснить действием все еще работающих сил. Более того, он считал, что все, что есть на Земле, – это результат совместного действия обычных сил и агентов (теория униформизма[18]18
  Униформизм (от лат. uniformis – единообразный) – теория, согласно которой в геологическом прошлом действовали те же силы и с той же интенсивностью, что и в настоящее время; поэтому для выяснения событий геологического прошлого можно переносить без поправок знания, полученные при изучении современных геологических явлений. В противоположность униформизму в современной геологии принята теория актуализма. – Примеч. ред.


[Закрыть]).

С современной точки зрения важнейшее значение теории униформизма заключается в том, что исчезает необходимость в таких катастрофах, как потоп или любое другое сверхъестественное воздействие. Если Лайель был прав, то буквальное прочтение Библии больше не могло служить руководством для науки. Кроме того, согласно этому учению, подобные силы должны были действовать неограниченное время!

К середине XIX века униформизм (как ни странно, этот термин ввел сторонник катастрофизма Уильям Хьюэлл) стал доминирующей доктриной в английской геологии. Хотя теологов такое учение не радовало, для большинства из нас стабильность – намного привлекательнее мысли о том, что в любой момент мы можем исчезнуть с лица Земли. В главе 3 мы видели, как Ньютон и Лейбниц спорили о роли Бога в стабильности Солнечной системы. В начале XIX века французский математик Лаплас доказал, что Богу совсем не обязательно выступать в качестве смотрителя-часовщика, потому что система сама по себе достаточно стабильна. Многие вздохнули с глубоким облегчением.

Хотя Лаплас думал, что такая стабильность установилась случайно, в результате удачного стечения обстоятельств, многие ученые были с этим не согласны, считая, что в ней ясно видна божественная длань. Одним из них был и Томсон. Но в то же время наблюдения за кометой Энке свидетельствовали о том, что в межпланетном пространстве существует некая сопротивляющаяся среда. В результате Томсон предположил, что для всей системы наступит конец, – и эта идея прекрасно согласовывалась с другими работами, которыми он активно интересовался и в которых объединились различные аспекты его интересов.

Рассуждения Томсона

Со студенческой скамьи Томсон всегда с интересом относился к вопросу теплоты. Несомненно, он знал, что Лейбниц до него верил в первоначально расплавленную Землю, а Ньютон проводил некоторые исследования потери теплоты и остывания тел. К 18 годам Томсон уже опубликовал работу на тему «Однородное движение теплоты в гомогенных твердых телах и его связь с математической теорией электричества». Название знаменательное, потому что показывает, что он не только интересовался проблемами теплоты и ее движения в твердых телах, но и пытался применить к их решению математические методы, которые оказались такими успешными в работе с механическим движением и электричеством.

Для практика Томсон прекрасно разбирался в математике. Например, он изучил работу Жозефа Фурье, который провел первые математические исследования теплопроводности. Воспользовавшись дифференциальным исчислением Лейбница и Ньютона, Фурье нашел способ в любое время определять скорость изменения температуры в разных точках твердого тела, а также реальную температуру в любой точке этого тела. Томсона очаровал этот метод. Позже он писал, что хотя в то время был еще студентом, но «освоил его за две недели – проработал от начала до конца»^{185}.

Хотя потом он называл работу Фурье «великой математической поэмой»^{186}, она послужила более земным целям, потому что убедила Томсона в том, что Земля постепенно остывала – от первоначального расплавленного и жидкого до теперешнего состояния.

До этого французский физик Никола Леонар Сади Карно под влиянием огромного значения парового двигателя доказал, что теплота и работа взаимозаменяемы. Но этой идее уделялось мало внимания до тех пор, пока Томсон в 1849 году пристальнее не взглянул на нее и не пришел к далеко идущим выводам.

Томсон был убежден, что определенная часть теплоты не превращается в работу, а это было важно при разработке таких машин. Кроме того, он расширил сферу приложения своих усилий, заинтересовавшись ролью данных феноменов в «работе» Земли.

На его взгляд, ответ на вопрос о возрасте Земли лежит в обычных наблюдениях, которые делались при сооружении многочисленных шахт и колодцев: чем дальше копать, тем становится горячее. Хотя это явление можно объяснить и иначе, Томсон считал его доказательством того, что теплота исходит из недр Земли.

Он понимал это так: тепловая энергия уходит из Земли и, как и в паровом двигателе, фактически необратима. Такое рассеивание энергии предполагает, что нашим природным системам когда-то наступит конец, что и стало, по докладу, представленному в 1851 году, вторым законом термодинамики, одной из основ для практического применения теплоты и работы. Первый и второй законы утверждают примерно следующее: энергия никогда не теряется (первый закон), но некоторая ее часть не превращается в работу (второй закон).

Благодаря второму закону был сделан значительный прорыв в научном понимании физических машин любого рода. Например, он объяснил, почему невозможно создание вечного двигателя. Кроме того, говорил Томсон, он показывает, что природные двигатели – такие как Солнце, Земля и другие элементы Солнечной системы – тоже имеют свой конец.

В своих расчетах он исходил из предположения, что Земля изначально была частью Солнца, имела его температуру и с тех пор остывала. Сначала Томсон использовал эти вычисления, пытаясь понять, как долго Земля и вся Солнечная система могут находиться в своем теперешнем состоянии. Затем, как представлено в докладе 1842 года, он изучал возможность проведения вычислений не вперед, а назад. И вдруг стало возможным довольно точно с научной точки зрения определить возраст Земли.

Сознавая некоторые слабые стороны своего подхода, Томсон начал уточнять его и в последующие годы развивал эти идеи. В 1846 году, в год своего назначения в Университет Глазго, он заявил, что определение возраста Земли основывается на физических принципах. Все сидели и слушали. Он говорил, что для того чтобы достичь сегодняшней температуры, Земле потребовалось время, и этот период составляет около 100 миллионов лет. Признавая, что эта цифра приблизительна вследствие упрощенных предположений, он расширил диапазон от 20 до 400 миллионов лет.

Спор

Но если признать правоту Томсона, тогда оказываются неверными несколько ведущих теорий. Например, геологи наблюдают древние пласты, возраст которых составляет миллиарды лет. Теория эволюции Дарвина, еще завоевывающая позиции, тоже нуждалась в значительно более длинной истории, чем позволяли вычисления Томсона. Как следствие, Томсон так никогда и не принял эволюционную теорию.

В наше время креационисты превознесли Томсона как пример человека, верящего в их учение. Но это все же величайшее заблуждение в истории науки. Хотя Томсон отвергал теорию Дарвина, он никоим образом не был креационистом, т.е. не соглашался с буквальным пониманием религиозных текстов, а его возражения абсолютно не походили на религиозные нападки на эволюцию, характерные для биологии того периода.

Хотя Томсон не воспринимал идеи многих ведущих ученых, он никогда не считал себя одиноким. Джеймс Прескотт Джоуль, который провел впечатляющую работу по демонстрации механического эквивалента теплоты,. был одним из его сторонников. В письме к Томсону, написанном в мае 1861 года, Джоуль отмечал: «Я рад, что вам не нравится многое из той чепухи, которая в последнее:время была представлена на суд общественности. Виноват в этом совсем не Дарвин, поскольку, на мой взгляд, он не собирался публиковать никакой законченной теории, а, скорее, хотел обозначить трудности, которые необходимо разрешить… Похоже, в наше время публике ни до чего нет дела, если это не имеет характера сенсации. Ничто не доставляет ей большего удовольствия, чем… философы, обнаружившие связь между человеком и обезьяной или; гориллой»^{187}.

К 1869 году Томсон объединился с людьми, которых: называл «истинными геологами», подразумевая, естественно, тех, кто соглашался с его временной шкалой. Что касается других геологов, а также биологов, то им была нужна помощь. Поэтому через девять лет после известного спора между Томасом Генри Гексли и епископом Уилберфорсом первый снова выступил в роли общественного защитника. Хотя сегодня его помнят как бульдога Дар– вина, но сам Гексли тоже был видным ученым и занимал; пост президента Лондонского Королевского общества, вот почему его и выбрали для битвы с Томсоном.

На этот раз спор проходил на более научной арене – в Геологическом обществе Лондона. Было и еще одно существенное различие: Гексли скрестил оружие с намного более искусным противником – Томсоном, который к тому же раньше следил за дебатами между ним и Уилберфорсом. (Следует отметить, что словесная перепалка Гексли и Томсона так ничего и не решила. В последующие годы она переросла в письменное противостояние, в которое были втянуты многие другие участники. В данной главе мы пользуемся всеми этими источниками.)

То, как Томсон понимал работу Дарвина, а Гексли подбирал аргументы для спора, завело их очень далеко, а именно: к происхождению жизни на Земле. Взгляды Гексли были изложены в его Президентском обращении к Британской ассоциации содействия развитию науки 1870 года, где он утверждал: «Если бы я мог заглянуть за пределы отмеченного в геологии времени в еще более далекий период, когда Земля меняла свое физическое и химическое состояние, что так же невозможно для человека, как и увидеть собственное младенчество, то я стал бы свидетелем эволюции живой протоплазмы из неживой материи»^{188}.

Томсон набросился на это утверждение и использовал его в борьбе с теорией эволюции. Он заявлял, что наука предоставила нам «огромное количество индуктивных доказательств против этой гипотезы о спонтанном зарождении»^{189}. В чем-то это было несправедливо, ведь для теории эволюции важно не только зарождение жизни. Тем не менее подход Гексли к истокам жизни был примечателен и, по правде говоря, мог бы существовать и в наши дни.

Но Томсон был с этим не согласен и настаивал, что жизнь может появиться только от жизни. Сначала его объяснение кажется более научным: «Если бы удалось найти вероятное решение, не противоречащее природе, то нам не нужно было бы искать сверхъестественное проявление силы творца»^{190}. Единственным выходом он считал предположение, согласно которому «в космосе движется множество метеоритов, переносящих семена», и некоторые из них, упав на Землю, положили начало жизни^{191}.

Гексли в письме своему коллеге, датированном 23 августа 1871 года, отвечал: «Мне очень нравится Томсон. В умственном плане он как пейзаж, открывающийся у меня из окна, величественный и огромный, но покрытый густым туманом, – и это добавляет ему живописности, но никак не упрощает его понимание»^{192}. Гексли, кроме того, спрашивал еще одного коллегу, Джозефа Дальтона Хукера (друга Дарвина): «Что вы думаете о творении Томсона… о всемогущем Господе, который, подобно ленивому мальчишке, сидит на морском берегу и бросает аэролиты (с зародышами), изредка попадая в какую-нибудь планету?!»^{193}А еще одна стрела в Томсона была выпущена в виде посредственных стишков в местной газете:

 
Из мира в мир
Летели семена,
Дав жизнь Британскому Ослу^{194}.
 

(Имеется в виду грубое прозвище Британской ассоциации содействия развитию науки, в которой и Томсон, и Гексли играли активную роль.)

Конечно, утверждение Томсона о метеоритах, переносящих семена жизни, только отбрасывает вопрос назад. По правде говоря, сегодня мы не намного продвинулись в своем понимании этой проблемы. Тем более интересно читать современные научные доклады, например, команды исследователей Стэнфордского университета, которые на марсианском метеорите, упавшем на Землю, обнаружили то, что может оказаться останками древней жизни^{195}.

Но во времена спора Дарвин и его коллеги по-прежнему были ограничены результатами вычислений Томсона. Один из испробованных ими вариантов – сократить время, необходимое для эволюции. Один из сыновей Дарвина, Джордж Дарвин, ставший видным ученым в своей отрасли, – а ранее работавший вместе с Томсоном! – попытался защитить отца. В письме к Томсону, датированном 1878 годом, он писал: «Не могу признать справедливым ваше утверждение о том, что миллиона лет будет мало для трансмутации видов в ходе естественного отбора. Как можно установить точную скорость, с которой это могло происходить или на самом деле происходило?»^{196} Хотя все оппоненты Томсона признавали точность его подсчетов, некоторые считали, что существует еще одна проблема, для которой не было найдено адекватное решение, – слишком много предположений и недостаточно убедительных научных данных. Позже Гексли писал; «Математику можно сравнить с тонким мастерством работы на мельнице, которая перемалывает ваш материал при любой величине зерна. И все же конечный продукт зависит от того, что вы засыпали вначале. И как самая совершенная в мире мельница не превратит гороховую шелуху в высококачественную муку, так и целые страницы формул не дадут определенного результата из неопределенных данных»^{197}. А также: «Похоже, это один из многих случаев, когда признанная точность математических процессов придает предмету недопустимое подобие авторитета»^{198}.

Еще один критик, Флеминг Дженкин, предположил, что одно из вычислений Томсона «очень напоминает то, что среди инженеров известно как «предположим наполовину и умножим на два»^{199}. Но все эти обоснованные замечания не произвели никакого эффекта. К сожалению, они не учитывали саму суть утверждений Томсона, который говорил, что если возраст Земли вообще имеет какой-то предел, то тем самым опровергается теория униформизма. Томсон был убежден, что пока геологи разделяют униформистские взгляды, геология останется неточной наукой, зависящей от гипотез и предположений.

Что касается самого спора, то в ходе дебатов, как и в случае противостояния между Гексли и Уилберфорсом, вопрос о возрасте Земли был вынесен на рассмотрение общественности и вызвал глубокий интерес. Однако это привело к тому, что именно утверждения Томсона получили и научную, и общественную поддержку.

В 1894 году – через два года после того, как Томсон стал пэром и теперь назывался лордом Кельвином – лорд Солсбери, президент Британской ассоциации содействия развитию науки, по-прежнему настаивал, что цифры Кельвина остаются одним из «убедительнейших опровержений» теории эволюции Дарвина. Он считал, что геологи и биологи «щедрой рукой растратили свои миллионы лет “ подобно расточительному наследнику, вознаграждающему себя за строгое воздержание юности экстравагантностью в зрелые годы»^{200}.

Даже Марк Твен принимал участие в споре. Где-то на i рубеже веков в небольшом очерке под названием «Сотворен ли мир для человека?» он писал: «Некоторые известные ученые, тщательно изучая свидетельства, собранные геологами, пришли к выводу, что наш мир чрезвычайно стар, и возможно, в этом они правы, но лорд Кельвин убежден, что мир не такой древний, как они думают. Поскольку лорд Кельвин – самый авторитетный из современных ученых, я думаю, мы должны уступить и принять его точку зрения »^{201}.

Легко можно представить разочарование оппонентов Томсона. И хотя с современной точки зрения это может показаться невероятным, но противоборствующие стороны каким-то образом умудрялись сосуществовать и поддерживать хорошие взаимоотношения вплоть до конца^; столетия.

И все же когда век подошел к концу, что-то случилось. Даже сам Кельвин, как его теперь называли, начал задумываться, не слишком ли ограничена его точка зрения. К 1894 году он полагал, что, возможно, более подходящим возрастом Земли нужно считать четыре миллиарда лет. Наверное, говорить, что Кельвин был крайне неуступчив во взглядах – это преувеличение. Но к тому моменту это уже не имело значения, потому что первоначальные цифры превратились в незыблемую аксиому. Студенты-физики во всем мире 30 лет использовали его вычисления в качестве классического примера.

Сегодня мы знаем, что геологи и биологи были правы, когда заявляли, что Земля намного старше, чем сначала подсчитал Кельвин. Но понадобились совершенно новые методы, разработанные физиками, чтобы собрать необходимые доказательства его заблуждения. Чего Кельвин не знал и что не было известно никому из его современников – это то, что изнутри Земля действительно получает огромное количество тепла.

Новые открытия

Начало конца вычислениям Кельвина положило открытие радиоактивности, которое в 1896 году совершил французский физик Антуан Анри Беккерель. Хотя до окончательного понимания процесса прошло еще несколько лет, Пьер Кюри и Альбер Лабор в 1903 году доказали, что благодаря своей радиоактивности радий обладает поразительной способностью постоянно испускать тепло. В результате это вещество не остывает до температуры более холодного окружения, в отличие от того, как обычно ведут себя теплые объекты. Позже было обнаружено, что различные радиоактивные элементы не являются независимыми, а определенным образом могут превращаться один в другой. Например, радий получается из урана, а свинец – последний стабильный продукт распада урана. В 1907 году американский химик и физик Бертрам Борден Болтвуд предположил, что поскольку нам известна скорость превращения урановой руды в свинец, то, если мы знаем количество свинца в определенном образце руды, значит, можно определить возраст скальной породы, в которой эта руда была обнаружена. Чем выше процентное содержание свинца, тем старше руда.

Дальнейшее развитие этого метода привело к значительно более точному определению возраста объектов в наши дни. Старейший образец скальной породы, обнаруженный на Земле, имеет возраст около 4,3 миллиарда лет. Кажется разумным предположить, что Земля старше, чем самый древний образец скалы на ней. Насколько старше?

Доказательства, полученные на метеоритах, позволяют говорить, что Солнечная система начала формироваться около 4,6 миллиарда лет назад. Новейшие исследования с помощью другого оборудования, например лазера или ионных приборов, пока подтверждают результаты более ранних подсчетов.

Другие открытия пролили свет на такие факты о Земле, о которых во времена Кельвина можно было лишь догадываться. Например, мы знаем, что тепло по некоторым причинам – вследствие энергии гравитации, падения метеоритов и внутренней радиоактивности – стало причиной частичного расплавления вещества внутри Земли. В результате возник мощный конвекционный процесс, смешивание и подъем расплавленной горной породы, а также передача тепла изнутри наружу, которую и исследовал Кельвин. Кроме того, имеет место химическая сегрегация, о которой Кельвин еще не мог знать. Все эти; процессы, продолжающиеся по сей день, привели к тому,; что на поверхности появилась тонкая кора, под ней – более плотная мантия, а внутри – еще более тяжелое ядро] из железа и никеля.;

Кроме того, мощные конвекционные процессы действуют на разные части нашей планеты с огромной силой, вследствие чего огромные участки на поверхности Земли; сминаются, проваливаются, разрываются и поднимаются. Поэтому едва ли могли сохраниться самые первые горные породы, что объясняет, почему старейшие из имеющихся образцов не могут рассказать всей истории.

Новые исследования дают основание предполагать, что: при этом задействованы дополнительные мощные силы, что еще больше повлияет на научные результаты. Дебра С. Стейкс, геохимик из исследовательского института: Монтерей Бей Аквариум, утверждает, что «большинство геологических процессов на самых глобальных этапах были непосредственно связаны с биологическими, что ставит под сомнение наши взгляды на неорганическую термодинамику и движущие реакции. Было обнаружено, что микробы живут на глубине четырех километров при температуре 110°С. Общая масса этих организмов может превышать массу всей неорганической материи в составе нашей планеты. Все чаще появляется мысль, что микробы, живущие на многие мили вглубь земной коры, сыграли заметную, а возможно, и ведущую роль в создании горных пород, почвы, металлов и минералов, а также морей и газов»^{202}. Другими словами, нам предстоит еще многое узнать о происхождении и функционировании Земли.