Лорд Келвин, Дарвин и ерата на Земята Урок в научния професионализъм Сътрудници
Някои от най-големите учени,
внимателно проучване на доказателствата, предоставени от геологията,
те стигнаха до извода, че нашият свят е такъв
изключително стара и може би е права.
Но лорд Келвин е на друго мнение.
Той е предпазлив, има консервативна визия ...
и той правилно вярва,
че светът не е толкова стар, както се казва.
Защото лорд Келвин е най-големият научен авторитет днес,
Мисля, че трябва да отстъпим и да приемем възгледите му.
Марк Твен, Писма от Земята
Едно от най-ранните предизвикателства пред хората е ерата на Земята. Ако Аристотел (384–322 пр. Н. Е.), В Метеорологията, вярва, че светът е вечен, по-късно християнски и ислямистки учени развиват други идеи, основани на свещени религиозни книги. ал-Бируни (около 973–1050) изчислява възрастта на Земята на по-малко от 10 000 от Битие, а епископ Джеймс Ушер (1581–1686) е изключително „точен“: Земята е създадена „в нощта на 23-ти. Октомври 4004 г. пр. Н. Е. “. Библейските изчисления на Ушер впечатлиха публиката, която беше силно повлияна от християнската религия, така че датата, която той предложи, се превърна в стандартна хронология.
Първият опит за научна оценка на възрастта на Земята принадлежи на датчанина Николай Стено (1638 -1686), който въвежда (през 1669) четири принципа за определяне на относителната геоложка възраст. По принцип Стено нанася решаващ удар върху предишни опити да се използват религиозни източници за древни геоложки изследвания: историята на Земята не трябва да се търси в човешки писания, а в земни скали.
През 1788 г. шотландецът Джеймс Хътън публикува своите изследвания върху няколко естествени процеса (действието на вълните, ерозията, причинена от течаща вода и явленията за транспорт и отлагане на утайки) във впечатляваща работа „Теория на Земята“; или разследване на законите, наблюдавани в състава, разтварянето и възстановяването на земята върху земното кълбо. Като първият специализиран трактат, Хътън се счита за баща-основател на съвременната геология.
Трактатът на Хътън беше труден за писане, използваните термини бяха непознати и трудни за разбиране, така че ехото на първата книга по геология беше ограничено. Заслугата на адвоката-аматьор и геолог Чарлз Лайъл е, че той обработва идеите и концепциите на Хътън на език, много по-достъпен за читателите на своето време, публикувайки през 1830 г. първото издание на тома Принципи на геологията. Копие от тази книга е дадено на младия Чарлз Дарвин, когато той се качва на Бийгъл през 1831 година.
Униформитарският геоложки модел (това, което се случва сега, се е случило в миналото - настоящето е ключът към миналото), първоначално предложен от Хътън и по-късно експлоатиран от Лайъл, не е дал точни оценки на възрастта на Земята. Изхождайки от принципите на Steno, беше казано само, че слоевете отдолу са по-стари от съхраняваните по-горе, но на колко години някои бяха или не бяха посочени. На границата се считаше за изключително дълъг период от време.
Чарлз Дарвин се възползва напълно от тази геоложка неточност при разработването на своята еволюционна теория. За да може да разчита на изключително бавното действие на механизма за естествен подбор, Дарвин се нуждаеше от огромно количество време, за да оправдае органичната еволюция, присъстваща в изкопаемите доказателства.
Като оправдание за огромното геоложко време, от което се нуждае, Дарвин даде пример с ерозията на скалата Weald Sea в Съсекс, югоизточна Англия. Приемайки, че скоростта на ерозия е 2,5 инча на век, Дарвин изказва предложението, че ще са били необходими 300 милиона години, за да се получи общото количество ерозия, претърпяно от скалата Weald. Неговият наставник Чарлз Лайъл се съгласи с тази цифра.
Трябва да се отбележи, че скоростта на ерозия (2,5 см/век), приета от Дарвин, е просто предположение, без никакви полеви или лабораторни измервания. Униформианският модел на Hutton-Lyell, който счита, че отлагането/ерозията на утайките е много бавен процес, може да позволи избора на всеки желан период от време: сто, хиляда или един милион години, например. Дарвин не е имал избор въз основа на съответните научни наблюдения или конкретни лабораторни/полеви измервания, тъй като той, както писах, беше само любител геолог. И така, Произходът на видовете използва геоложкия модел, съществуващ към момента на публикуването на книгата (1859 г.) и произволно геоложко време - 300 милиона години -, за да позволи функционирането на естествения подбор. Въпреки че Дарвин възнамеряваше само да предостави груба временна оценка, за да оправдае идеята си, твърдението му предизвика много противоречия - до такава степен, че той беше принуден да го премахне изцяло от по-късните издания на работата си.
Вълшебна фигура - 300 милиона години - предизвика негативната реакция на най-великия физик от XIX век Уилям Томпсън (1824 - 1907), който по-късно стана лорд Келвин. Младият физик е заинтригуван (и провокиран) от фигурата, издигната от Дарвин, която той смята за „абсурдна“.
През 1861 г. лорд Келвин започва да атакува помещенията на геоложкия модел, предложен от Хътън (и използван от Дарвин през 1859 г.), който предполага безкрайна възраст на Земята. Основната атака беше съсредоточена върху скоростта на геоложки процеси (например ерозия), които бяха изключително несигурни и понякога невъзможни за измерване в полето. Втората атака беше върху предположението на Хътън, че химическите реакции в Земята непрекъснато произвеждат топлина и по този начин поддържат планетата в стабилно топлинно състояние. Ако Земята беше на безкрайна възраст, според Хътън, такова състояние би било еквивалентно на вечна машина за производство на топлина, тоест нарушение на Първия закон на термодинамиката.
Лорд Келвин се зае да определи абсолютната възраст на Земята на научна основа, с пряка подкрепа от полеви и лабораторни измервания. Неговите аргументи и изчислителният модел са от геотермална природа: Земята се формира от акреция, която генерира механична топлина, считана тогава (XIX век) за единствения източник на вътрешна топлина на планетата. По време на формирането планетата е била в разтопено състояние (
2000 ° C), след което започва да се охлажда непрекъснато. Доказателства: измервания на геотермален градиент в минни кладенци, които показват постоянен спад на температурата от дълбочина до повърхността.
Геотермалният модел, разработен от лорд Келвин, беше елегантна математическа конструкция, закотвена от три основни стълба: първоначалната температура на земното ядро (
2000 ° C), геотермалния градиент и топлопроводимостта на скалите. Последните две променливи бяха измерени от самия Келвин [1].
През 1862 г. лорд Келвин публикува своя анализ в статията За светското охлаждане на Земята.
Възрастта на Земята, според неговите изчисления, ще бъде между 20 и 400 милиона години, като най-вероятната стойност е 100 милиона години. Тук трябва да се подчертае, че оценката на Келвин не е била просто аматьорска хипотеза или спекулация. Той се основаваше на точен математически модел, зачитащ законите на термодинамиката и на базата на полеви и лабораторни измервания.
Въздействието на статията на Келвин беше необикновено: ако възрастта на Земята е само 100 милиона години, това означава, че не е имало достатъчно време за еволюция, за да обясни разнообразието от форми на живот, предсказано от Дарвин. Атаките на Келвин върху геологията и атаките на Дарвин останаха без последователен и организиран отговор от атакуваните. По това време геологията не се радваше на научното състояние на физиката. А Келвин - ранен гений, който публикува първата си научна статия на 16-годишна възраст и стана едва на 22 години притежател на известна катедра в Университета в Глазгоу - се радваше на гигантски интелектуален ръст. В допълнение Келвин е получил възрастта на Земята от количествени и повторяеми измервания, използвайки законите на физиката и елегантен математически модел. Ако добавим към тази ситуация и неговите аргументи относно несигурността на геоложките данни, лесно разбираме, че подходът на Келвин е бил опустошителен за Дарвин и неговата теория.
Келвин атакува директно Дарвин, питайки саркастично: Дали моите лабораторни измервания и математически изчисления са грешни, или е по-вероятно „бурно море, с прилив, вероятно от екстремно насилие, да разяде 1000-футова креда? или по-бърза от оценката на г-н Дарвин за един инч на век? ”[2]
Дарвин беше ужасен: минаха само три години от публикуването на „Произходът на видовете“ и ето го без основния си аргумент за механизма на естествения подбор - огромно количество време. Той пише на Алфред Ръсел Уолъс, че „възгледите на Томпсън за скорошната епоха на света отдавна са един от най-болезнените ми проблеми“. И той умолява своя наставник Чарлз Лайъл: „След като изпекох толкова силно пръстите си по въпроса с Wealden, аз се страхувам за вас.“ Но за Бога, погрижете се за пръстите си; да ги изгориш силно, както направих, е много неприятно ".
Келвин преизчисли възрастта на Земята два пъти, използвайки различни начални условия за температурата на земното ядро. През 1866 г. той намалява горната възрастова граница до 100 милиона. През 1897 г. Келвин изчислява, че Земята ще бъде на възраст между 20 и 40 милиона години, което често е по-малко от времето на Дарвин, необходимо за естествения подбор да функционира. Несъмнено това последно изчисление беше тежък удар по теорията, предложена в Произхода на видовете. Във всички следващи издания на книгата си Дарвин, който умира през 1882 г., заличава обезпокоения абзац на 300 милиона години.
Научният подход на Келвин получи ново и решително потвърждение през 1899 г., когато ирландският физик Джон Джоли (1857 - 1933) разработи силен и прост метод за оценка на възрастта на Земята. Той раздели общото съдържание на сол в океаните на степента на пренос на сол в морето по реките. Джоли изчисли, че са били необходими 80-90 милиона години, докато океаните натрупат солта си.
Когато два напълно различни метода (Келвин и Джой) произвеждат сходни възрасти на Земята, може да се каже, че „науката е говорила“ и че няма (много) място за съмнение. Само дето научните истини не са абсолютни - урок, който трябва да се преподава/разбира в цялата му философска значимост и дълбочина.
R.T. Чембърлин, патриархът на американската геология, атакува през 1899 г. предположението на Келвин, че Земята е затворена система, чиято първоначална топлина постепенно намалява. Той предположи, че неизвестната по онова време вътрешна структура на атомите може да съдържа значителни количества енергия. [3]
Интуицията на Чембърлин се оказа вярна. Откриването на естествената радиоактивност и новата атомна физика несъмнено показват, че някои скали (гранити, гранодиорити, диабази, глини и др.) Съдържат значителни количества минерали (особено уран, торий и калий), които чрез спонтанен разпад се освобождават така наречената радиоактивна топлина. Тази топлина понякога може да има значителни стойности. Например установихме, че скалите в щата Оклахома произвеждат средно 2,5 mW/m ^ 3. Средните световни стойности на производството на радиоактивна топлина са в диапазона 1,9 - 2,4 mW/m ^ 3.
В допълнение към съществуването на радиоактивна топлина, друга критика сериозно намали стойността на модела на Келвин за изчисляване на възрастта на Земята. Лорд Келвин предполага, че разпространението на топлина, от сърцевината до повърхността, става само чрез проводимост (пренос на топлина през твърди скали). Но геофизиците също така са посочили наличието на конвекционния феномен, когато топлината се разпространява през флуиди, като астеносферата в основата на земната кора или горната мантия. Нещо повече, конвекционното разпространение на топлина днес се счита за основния механизъм на пренос на топлина вътре в Земята.
Лорд Келвин първоначално отхвърля идеята, че радиоактивността може да излъчва значителни количества топлина, но през 1904 г. той публично изоставя своя модел за изчисляване на възрастта на Земята, което създава кошмарите на Дарвин.
Радиоактивното датиране е изчислило абсолютната възраст на Земята (4,5 милиарда години) и сравнението й с други скали, събрани на Луната или донесени от метеорити. Като се има предвид такъв интервал от време, естественият подбор, предложен от Дарвин като еволюционен механизъм, имаше достатъчно време, за да генерира вариации във формите на живот.
Въпреки че неговият модел беше обезсилен от нови открития, лорд Келвин предложи забележителен урок по научен професионализъм на своите съвременници и на бъдещите поколения геолози, геофизици, биолози и т.н.
БИБЛИОГРАФИЯ
Aja, S. U. и C. Cranganu, 2013, Exploring the Earth System, Kendall Hunt Publishing Co.
[1] За пример за модела на Келвин вижте моята докторска дисертация „Топлинен поток в Оклахома“, разработена през 1997 г. Използвах над 120 измервания на геотермален градиент в щата Оклахома и измерих с помощта на няколко студенти, над 1500 топлопроводимост на скали от различни сондажи и различни дълбочини. Накрая създадохме първите карти на топлинния поток и радиоактивната топлина в Оклахома.
През 2012 г. моята докторска дисертация, допълнена с други приноси, беше публикувана в книгата Heat Flow в Оклахома и южната централна част на САЩ: Цялостно изследване на топлинния поток и генериране на топлина.
[2] Сър Уилям Томпсън, лорд Келвин, 1900, Ерата на слънчевата топлина, в „Есета в астрономията“, изд. Едуард Сингълтън Холдън, Д. Аплетън и Ко, Ню Йорк, стр. 49.
[3] Dalrymple, G. B., 2004, Древна Земя, древно небе: Възрастта на Земята и нейното космическо обкръжение, Stanford University Press, Stanford University Press, Калифорния, стр. 36.