Antonio Rojo - Физике становится тепло. Лорд Кельвин. Классическая термодинамика

Определение возраста Земли очень интересовало церковников, которые использовали эти оценки для придания Библии большей весомости, но проблема не вызывала интереса ученых. В частности, вычислением возраста Земли не занимались греки и арабы, имевшие многочисленные достижения в других научных областях. Только к середине XVIII века натуралисты разработали и применили некоторые методики, связывавшие ископаемые слои. Английский геолог Уильям Смит в 1790 году установил, что два слоя, содержащие ископаемые с похожими характеристиками, должны относиться к одному времени, даже если они находятся в очень удаленных друг от друга географических и/или геологических областях. А на основе числа слоев и оценок времени между ними можно установить возраст Земли. Михаил Ломоносов в середине XVIII века предположил, что Земле может быть несколько сотен тысяч лет.

Б свою очередь, Жорж-Луи Леклерк, граф де Бюффон, французский математик, биолог и естествоиспытатель, поставил в 1779 году эксперименты, в которых измерил время охлаждения железных шаров, состав которых предположительно подобен составу Земли, и, экстраполировав результаты, установил значение от 50 до 75 тысяч лет. Это утверждение стоило ему нескольких столкновений с Церковью и означало, что Земля древнее всех ископаемых остатков, известных на то время. Б 1860 году эти ископаемые привели английского геолога Джона Филипса к оценке возраста Земли примерно в 100 миллионов лет, что было представлено как верное значение прусским философом Иммануилом Кантом в его «Всеобщей естественной истории и теории неба», опубликованной в 1755 году. Но, без сомнений, дальше всех пошел шотландский натуралист Джеймс Геттон; в 1788 году он утверждал: не существует следов того, что у Земли когда-либо было начало, а также признаков того, что у нее когда-нибудь будет конец. Вплоть до XIX века эту идею принимали большинство геологов.

Английский натуралист Чарлз Дарвин в 1859 году опубликовал свою главную работу — «Происхождение видов путем естественного отбора, или сохранение благоприятных рас в борьбе за жизнь». Влияние этой работы на науку о жизни было, как хорошо известно, более чем примечательным. Основываясь скорее на качественных аргументах, связанных со скоростью протекания эволюционных биологических процессов, Дарвин склонялся к мысли о том, что Земля существует практически с неопределенного времени.

Друг Дарвина, британский адвокат и геолог Чарлз Лайель, один из основателей современной геологии, высказал в своих «Основных началах геологии», опубликованных в 1830 году, идею о том, что Земля имеет возраст порядка миллиардов лет или больше. Он опирался на то, что для завершения геологических процессов необходимы чрезвычайно большие сроки. Согласно Лайелю и его коллегам, силы, задействованные на геологическом уровне, в течение бессчетного количества лет оставались неизменными.

Но эти качественные рассуждения не удовлетворяли Томсона, который изучал проблему, стремясь применить к физической системе, являющейся Землей, законы термодинамики, в которых он прекрасно разбирался. Отправная точка звучала просто: в соответствии с этими законами энергия, имеющаяся в распоряжении для осуществления всей геологической деятельности, изначально была конечной и с течением времени она должна постепенно уменьшаться. Основой расчетов Томсона был закон сохранения энергии. Его изначальная гипотеза была очень ясной: уровень тепла, потерянного планетой через ее поверхность, устанавливает определенные ограничения на отдаленность от нас момента, когда была образована Земля.

Это важное предположение, наряду с научным авторитетом, которым в то время уже обладал Томсон, позволило ему подойти к проблеме с чрезвычайным высокомерием, безжалостно круша геологов и биологов своего времени. В качестве примера достаточно начала его работы «О вековом охлаждении Земли»:

«В течение 18 лет меня беспокоила мысль о том, что основные принципы термодинамики игнорируются этими геологами, которым они упорно противопоставляют всяческие безумные гипотезы. Они утверждают не только то, что сейчас перед нами на Земле происходят примеры всевозможных действий, из-за которых ее оболочка менялась на протяжении геологической истории, но и что эти действия в целом никогда не были более интенсивными, чем сейчас».

Другой пример едкой дискуссии мы видим в разговоре Томсона с шотландским геологом Эндрю Рамзаем в 1867 году. На его утверждение - «Я не могу оценить и понять причин, по которым вы, физики, ограничиваете геологическое время, так как вы не способны понять геологических причин наших ограничительных оценок» — Томсон ответил: «Ты сможешь понять рассуждение физиков, если начнешь над этим думать».

Согласно модели Томсона, Земля образовалась в результате застывания некоторого количества расплавленного материала. После застывания у системы должна была быть однородная начальная температура, и она должна была находиться в среде, поддерживавшей на поверхности Земли постоянную температуру. Томсон предположил, что дополнительные источники тепла отсутствовали, и рассмотрел систему, используя уравнение распространения тепла в твердых телах, которое за несколько лет до этого разработал Фурье и с которым Томсон был хорошо знаком с молодых лет. При таких обстоятельствах температура в любой точке земного объема зависела только от расстояния от этой точки до поверхности и от времени, пройденного от начального состояния. Решая уравнение Фурье, ученый нашел отношение между временем, пройденным от начала, начальной температурой системы, температурным градиентом на поверхности и константой, которая называется термодиффузией. Этих величин было достаточно, чтобы оценить возраст Земли.

На тот момент Томсон не располагал достаточным количеством экспериментальных данных для проведения необходимых расчетов и определения возраста Земли, так что он начал измерять температурный градиент на земной поверхности, проводимость различных пород и так далее. Через несколько лет, когда ученый представил Эдинбургскому королевскому обществу свою работу «О вековом охлаждении Земли», у него уже была информация, необходимая для таких расчетов. Он рассматривал средний температурный градиент земной поверхности около 35 °с/км; для термодиффузии он предложил значение порядка 10 -6м 2с -1и оценил начальную температуру Земли примерно в 4000 °С, что было равно температуре плавления некоторых пород. При таких значениях было установлено, что возраст Земли равен 130 миллионам лет.

Томсон (в центре) с физиком Николсом и дипломатом Шурманом в Корнелльском университете, США.