Физике становится тепло. Лорд Кельвин. Классическая термодинамика - [42]

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.