Кирилл Еськов - Доказательства эволюции

Первые попытки узнать возраст Земли были наивны. Начало этому положили в XVIII веке такие корифеи, как Михайло Ломоносови Жорж Бюффон. Ломоносов наблюдал за процессами поднятия и опускания земной поверхности, «наступаний» и «отступаний» моря, Бюффон — за остыванием нагретых тел. У Бюффона получился возраст, равный 75 тысяч лет, у Ломоносова — не менее 400 тысяч… Цифры, конечно, далекие от действительности (иначе и быть не могло — принятая в качестве аналогии модель была неадекватна реальности). Но оба ученых осуществили революцию в науках о Земле: они построили модели поведения вещей в прошлом на основе изучения современного опыта, а не вычисляли возраст Земли, считая годы жизни ветхозаветных патриархов, как это делали в донаучную эпоху, опираясь на божественное откровение. И даже такие несовершенные прикидки, как у Ломоносова и Бюффона, дали значение возраста Земли, значительно превышающее ветхозаветное (которое правильно отражает по порядку величины время письменной истории человечества , ибо Ветхий Завет — один из древнейших письменных источников). Идея же оценивать время существования планеты, исходя как из скорости геологических процессов, так и из динамики остывания ее недр, использовалась неоднократно впоследствии, на новом уровне развития научного знания.

Надеясь помочь геологам определить абсолютный возраст Земли, физики XIX века продолжали изыскания. Вильям Томсон(он же лорд Кельвин) усовершенствовал метод Бюффона, проведя более детальные расчеты времени, за которое земная кора могла бы остыть до современного состояния, если изначально она была расплавленной. В итоге это время получилось не в пример внушительнее, чем у Бюффона — порядка 20–40 миллионов лет.

В сотрудничестве с Германом ГельмгольцемКельвин решил проверить эту цифру, используя данные не о Земле, а о Солнце. С позиций физики XIX века Гельмгольц и Кельвин искали ответ на вопрос «отчего светит Солнце?». Гипотеза сгорания на Солнце химического топлива уже в XIX веке казалась неправдоподобной: химическое топливо должно быстро кончиться. Поэтому ученые XIX века не могли указать ни на какой другой источник энергии Солнца, кроме гравитационного сжатия. Расчеты показывали, что для обеспечения нынешней светимости Солнца оно должно сжиматься с такой скоростью, что около 18 миллионов лет назад радиус Солнце превышал бы радиус земной орбиты.

Хотя оценки Кельвина и Гельмгольца основывались на двух разных эффектах и дали одинаковый по порядку величины ответ, они, тем не менее, казались слишком малыми для геологов. Дело в том, что геологи часто сталкиваются со многими осадочными породами, которые накапливаются или, напротив, выветриваются очень медленно. Поскольку мощность осадочных толщ составляет многие тысячи метров, то из простой экстраполяции, проведенной еще в начале XIX века Лайелем, получалось, что время образования или эрозии многих пород должно занимать не один десяток, если не сотню миллионов лет.

Кто же был прав в попытках оценки возраста Земли — классическая физика или классическая геология? Ведь, если быть до конца откровенным, простое деление мощности пласта на наблюдаемую в настоящее время скорость осадконакопления не является строгим примером применения принципа актуализма. Дело в том, что, во-первых, скорость осадконакопления является величиной непостоянной, она зависит и от времени, и от места накопления осадков. Кроме того — и это не менее важно — существуют процессы, обратные осадконакоплению — это различные типы эрозии пород, которые так же, как и осадконакопление, не стационарны, поэтому определять время отложения пласта с помощью простого деления мощности пласта на скорость осадконакопления не всегда корректно.

Итак, надежный способ определения возраста геологических пород должен удовлетворять, по крайней мере, двум требованиям. Скорость такого процесса должна быть предельно постоянна, не зависеть от внешних условий. Кроме того, должен отсутствовать процесс, обратный тому процессу, который используется для хронометрии.

Классическая физика и геология XIX не могли указать на такой процесс, равно как и найти источник энергии Солнца и теплоты земных недр. Все вопросы были решены только физикой XX века, изучающей превращения атомных ядер . Такие превращения возможны благодаря тому, что у каждого ядра имеется своя энергия связи , и более выгодно состояние с наибольшей энергией связи. Ядерные силы притяжения между нуклонами (протонами и нейтронами) имеют совершенно особые свойства. В отличие от действующих в макромире гравитационных и электромагнитных сил, ядерные силы являются короткодействующими . Проявляются они только на расстояниях порядка нескольких фемтометров (1фм = 10 -15м) и меньше, но уж если нуклоны оказались на таком расстоянии друг от друга, то ядерное притяжение между ними оказывается так велико, что пересиливает электростатическое отталкивание положительно заряженных протонов.

Из-за таких свойств ядерных сил наиболее крепко связаны нуклоны у ядер в середине таблицы Менделеева (наибольшая энергия связи — у ядер железа). В то же время у легких ядер энергия связи ядра меньше, потому что у таких ядер большая часть нуклонов расположена в поверхностном слое «ядерной капли». Подобно молекулам жидкости в поверхностном слое капли, которые имеют меньше молекул-соседей, чем молекулы в центре капли, и поэтому менее связаны с каплей, нуклоны в поверхностном слое ядра менее связаны с ядром. Напротив, у слишком тяжелых ядер становится существенным электростатическое отталкивание протонов, которое ослабляет связи в ядре. В результате среди легких ядер энергетически выгодными оказывается синтез (слияние), а среди тяжелых — деление (распад на части). Именно это открытие XX века послужило основой создания самого смертоносного оружия, придуманного когда-либо людьми — ядерного в узком смысле, использующего деление тяжелых ядер, и термоядерного, использующего синтез легких ядер (иначе называемый термоядерным синтезом за температуры в миллиарды градусов, необходимые для преодоления электростатического барьера отталкивания ядер при синтезе).

Тем не менее, термоядерному синтезу (конкретно, превращению водорода в гелий) обязана своим существованием не только водородная бомба (не скрою, хотел начать данную фразу с вводного оборота «к счастью», а не «тем не менее». Но потом вспомнил, что у водородной бомбы, в отличие от урановой и плутониевой , пока в истории человечества жертв умышленного применения не было. Насколько такое грозное оружие, способное уничтожить всю цивилизацию за считанные дни, является фактором сдерживания агрессивных инстинктов не лучшей части двуногих в их борьбе за власть и собственность — тема для отдельного размышления, не относящегося к предмету настоящей статьи), но и светимость нашего Солнца и звезд. Расчеты показывают, что звезда — желтый карлик типа Солнца исчерпывает весь водород за время порядка 8–9 миллиардов лет. Таким образом, открытие явление термоядерного синтеза как основного источника энергии звезд сняло один из «проклятых вопросов» в исторической геологии — почему время отложения и разрушения многих горных пород оказывалось значительно больше времени существования Солнца? Гравитационное же сжатие звезд, по современным представлениям, существенно лишь на относительно коротком (порядка ста тысяч лет для звезды, подобной Солнцу) этапе первичного разогрева их недр до температуры, позволяющей идти термоядерным реакциям.