Марио Ливио - От Дарвина до Эйнштейна. Величайшие ошибки гениальных ученых, которые изменили наше понимание жизни и вселенной

Однако в панегирике не отражен последующий крах репутации Кельвина в научных кругах. К старости Кельвин стал печально знаменит как ретроград от науки. Он упрямо цеплялся за свои старые представления, и много пишут о том, что он не желал признавать открытия, связанные с атомами и радиоактивностью. Но удивительно другое: хотя Максвелл при разработке своей поразительной теории электромагнетизма полагался на практическое применение некоторых законов, открытых Кельвином, Кельвин все равно не соглашался с его идеями и заявлял: «Должен сказать, что единственное, что я в этом понимаю, для меня неприемлемо» [100]. Столь же неожиданные заявления Кельвин при всех своих инженерных талантах делал и в сфере техники и технологии – например, «У меня нет ни мельчайшей крупицы веры в воздухоплавание, кроме как при помощи воздушных шаров». И этот загадочный человек – в молодости блестящий ученый, а в старости утративший связь с реальностью – и попытался полностью дезавуировать представления геологов о возрасте Земли.

28 апреля 1862 года Кельвин, тогда еще Томсон, прочитал в Эдинбургском королевском обществе доклад под названием «Похолодание на Земле, происходящее раз в столетие» [101](« On the Secular Cooling of the Earth »). Этот доклад появился по следам другой статьи, опубликованной в том же году, но немного раньше – «О возрасте солнечного тепла» [102](« On the age of the Sun’s heat »). Томсон в первом же предложении дал понять, что это не просто очередная заметка о технике, которую можно прочитать и забыть. Это полномасштабная атака на предположение геологов о неизменной природе сил, сформировавших Землю.

«Вот уже восемнадцать лет мне не дает покоя мысль, что те геологи, которые бескомпромиссно отметают все гипотезы, связанные с пароксизмами, не принимают в расчет основные принципы термодинамики, и я не просто считаю, что в наши дни прямо перед нашими глазами имеются примеры воздействия самых разных сил, которые модифицируют ее кору на протяжении геологической истории: я полагаю, что в прошлом эти силы действовали отнюдь не так жестоко и никогда не были так мощны, как в настоящем [103] .»

Конечно, выражение «мне не дает покоя мысль» несколько выспренно и театрально, однако, несомненно, правда, что первые статьи Кельвина о теплопроводности и распределении тепла в пределах земного шара [104]были написаны еще в 1844 и 1846 годах, когда он был еще студентом двадцати – двадцати двух лет. Томсону не было и семнадцати, когда он заметил ошибку в статье о теплопроводности, написанной одним эдинбургским профессором.

Идея Кельвина была проста. Измерения в шахтах и скважинах показали, что тепло распространяется из земных глубин к поверхности, а это заставляет предположить, что Земля первоначально была горячей планетой и теперь остывает. Следовательно, рассуждал Кельвин, в отсутствие внешних либо внутренних источников энергии, которые могли бы компенсировать потери тепла, а существование таких источников не доказано, ни стабильное состояние, ни повторение идентичных геологических циклов невозможно. На самом деле и Чарльз Лайель понимал, что здесь налицо сложность, и в своих «Началах геологии» предположил механизм самоподдержания, который, по его предположению, обеспечивал циклический обмен химической, электрической и тепловой энергией с недрами Земли. В целом Лайель представлял себе сценарий, при котором химические реакции вырабатывают тепло, тепло вызывает электрические токи, а они заставляют химические соединения распадаться на первоначальные составляющие, что снова запускает процесс. Кельвин с трудом скрывал презрение. Он недвусмысленно доказал, что подобный процесс сводится к своего рода вечному двигателю, что противоречит принципу рассеяния (и сохранения) энергии, когда механическая энергия необратимо преобразуется в тепло, как, например, при трении. Так что механизм Лайеля нарушал основные законы термодинамики. Для Кельвина это было последним доводом за то, что геологи совершенно не знают основных законов физики, и он язвительно заметил:

«Если вслед за Лайелем, приняв, как он, химическую гипотезу, предположить, что вещества, уже соединившиеся друг с другом, можно снова разложить при помощи электролиза, посредством термоэлектрических токов, которые возникают благодаря теплу, высвободившемуся при образовании этих соединений, и таким образом химическая реакция и выделяемое ею тепло образуют бесконечный цикл, это нарушает законы физики точно так же и в такой же степени, как если бы мы сочли, будто часы, сконструированные с автоматическим заводом, способны оправдать ожидания своего талантливого изобретателя и идти вечно [105] .»

В сущности, Кельвин вычислил возраст Земли напрямую и без особых изысков: поскольку Земля остывает, объяснил он, можно опереться на законы термодинамики и подсчитать конечный геологический возраст Земли, то есть время, которое понадобилось Земле, чтобы достичь нынешнего состояния, от момента образования твердой поверхности. Сама по себе эта мысль была не нова: французский физик Жозеф Фурье [106]уже в начале XIX века создал математическую теорию теплопроводности и процесса остывания Земли. Кельвин понял, что эта теория весьма многообещающа, и в 1849 году вместе с физиком Джеймсом Дэвидом Форбсом участвовал в серии измерений подземных температур, а в 1855 году стал инициатором полномасштабного геотермического исследования именно с целью вычислить возраст Земли.

Кельвин предположил, что механизм передачи тепла из земных недр к поверхности – это та же теплопроводность , которая передает тепло от сковороды, стоящей на открытом огне, к ее ручке. Тем не менее, чтобы применить теорию Фурье об остывании Земли, Кельвину нужно было знать три физические величины: изначальную внутреннюю температуру Земли, скорость изменения температуры с увеличением глубины и значение теплопроводности каменистой земной коры, то есть с какой скоростью тепло может передаваться из недр к поверхности.

Кельвин считал, что две из этих величин он может вычислить вполне надежно [107]. Геологические измерения, проведенные целым рядом исследователей, показали, что хотя в разных местах результаты получались различными, в среднем температура повышается на один градус по Фаренгейту с каждыми 50 футами глубины (эта величина называется градиент температуры ). Что касается теплопроводности, здесь Кельвин полагался на собственные измерения двух горных пород и песка, которые дали ему приемлемую среднюю величину. Узнать третью физическую величину – температуру глубинных недр Земли – было крайне трудно, ведь измерить ее непосредственно нельзя. Однако подобные трудности Кельвина никогда не останавливали. Он подключил к работе свой аналитический ум и в конце концов смог приблизительно оценить неизвестную температуру. Для этого ему пришлось прибегнуть к интеллектуальному маневру, который одновременно показывает Кельвина как с лучшей, так и с худшей стороны. Конечно, Кельвин виртуозно владел научным аппаратом физики и умел рассматривать все варианты при помощи острых, как бритва, логических рассуждений, и в этом ему не было равных. Однако, как мы увидим в следующей главе, он был слишком уверен в себе, и поэтому иногда непредвиденные варианты заставали его врасплох и совершенно выбивали почву из-под ног.