Марио Ливио - От Дарвина до Эйнштейна. Величайшие ошибки гениальных ученых, которые изменили наше понимание жизни и вселенной
Оказалось, что интуиция Перри и в самом деле была пророческой. Он до конца отстаивал свою позицию: то, что модель Кельвина не позволила определить более древний возраст Земли, – прямое следствие предположения Кельвина о том, что теплопроводность Земли везде одинакова, а это ограничение можно преодолеть, если допустить, что в земной мантии происходит конвекция. Геологам ХХ века понадобилось несколько десятилетий, чтобы доказать, что Перри был прав. Мысль о возможности конвекции – правда, внутри достаточно твердой земной мантии – сыграла важную роль в том, что впоследствии научное сообщество приняло идею тектоники плит и материкового дрейфа (ее выдвинул в 1912 году немецкий ученый Альфред Вегенер). Мало того что тепло может передаваться подобно течению жидкости – целые континенты способны дрейфовать горизонтально в течение длительных периодов времени. А вот вокруг того, каковы в точности условия теплообмена между недрами Земли и корой, до сих пор ведутся жаркие споры (да, это был каламбур).
Последнюю свою статью[145] о возрасте Земли Перри заключил совершенно недвусмысленным заявлением:
«Три физических аргумента [замедление вращения Земли из-за приливов, охлаждение Земли и возраст Солнца] дали лорду Кельвину возможность заключить, что верхний предел – это 1000, 400 и 500 миллионов лет. Я же показал, что у нас есть причины полагать, что возраст – исходя из всех трех аргументов – может быть весьма существенно недооценен. Нужно отметить, что если мы исключим все аргументы, кроме чисто физических, то вероятный возраст жизни на земле окажется гораздо меньше всех вышеприведенных оценок, однако если у палеонтологов найдутся веские причины требовать значительно более длительных периодов, я как физик не вижу никаких причин, которые помешали бы постановить, что подлинный возраст Земли вчетверо превышает самую большую из вышеприведенных величин».
Обратите внимание: из этого утверждения следует, что у Перри не было никаких возражений против того, что возраст Земли составляет четыре миллиарда лет – и это очень близко к современным представлениям, согласно которым Земле примерно 4,5 миллиарда лет.
Труды Перри проделали первую брешь в вычислениях Кельвина, которые казались абсолютно бесспорными: Перри подверг сомнению постулаты о твердости и однородности Земли, из которых исходил Кельвин. Однако оценка возраста Земли по Кельвину опиралась и на другую гипотезу: не существует никаких неведомых источников энергии, ни внешних, ни внутренних, которые компенсировали бы теплопотери. События конца XIX века показали, что Кельвин ошибся и здесь.
Радиоактивность
Весной 1896 года французский физик Анри Беккерель открыл, что распад нестабильных атомных ядер сопровождается испусканием излучения и частиц. Это явление получило название радиоактивности[146]. Семь лет спустя физики Пьер Кюри и Альбер Лаборд сообщили, что распад солей радия создает источник тепла, прежде не известный. Астроному-любителю Уильяму Э. Уилсону[147] потребовалось всего четыре месяца с того момента, когда Кюри и Лаборд объявили о своем открытии, чтобы сделать наблюдение, что такое свойство радия «вероятно, содержит в себе подсказку, каков источник энергии Солнца и звезд». По оценке Уилсона, всего «3,6 грамма радия на кубический метр объема Солнца достаточно, чтобы обеспечить наблюдаемый выход тепла». Очень краткая заметка Уилсона в журнале «Nature» не привлекла особого внимания научной общественности, однако потенциальные следствия из того обстоятельства, что был открыт неожиданный источник энергии, не укрылись от внимания Джорджа Дарвина[148]. Дарвин постоянно искал способы освободить геологию от смирительной рубашки геохронологии по Кельвину и в сентябре 1903 года с радостью объявил, что «Количество энергии, которую можно получить [из радиоактивных материалов], столь огромно, что теперь уже невозможно сказать, как давно существует солнечное тепло и надолго ли его хватит в будущем». Ирландский физик и геолог Джон Джоли[149] отнесся к этому заявлению с большим энтузиазмом и тут же применил его к задаче оценки возраста Земли. В письме в «Nature», опубликованном 1 октября 1903 года, Джоли указал, что «источник тепла [радиоактивные минералы] в любом элементе материала [Земли]» может влиять на теплопередачу точно так же, как повышенная теплопроводность земных недр. Именно этого, как ранее показывал Перри, и недоставало, чтобы оценки возраста Земли существенно возросли. Иными словами, по сценарию Кельвина Земля исключительно теряла тепло из своих первоначальных запасов. Открытие нового источника внутреннего тепла, очевидно, подрывало самые основы подобной гипотезы.
Среди главных действующих лиц последовавших лихорадочных исследований в области радиоактивности был молодой физик Эрнест Резерфорд[150], уроженец Новой Зеландии, впоследствии прославившийся как «отец ядерной физики». В то время Резерфорд работал в Университете Макгилла в Монреале (позднее он перебрался в Великобританию), где на основе целого ряда экспериментов установил, что атомы всех радиоактивных элементов содержат колоссальное количество скрытой энергии, которую можно высвободить в виде тепла. Впоследствии Резерфорд, а также – с еще большим восторгом – Фредерик Содди, который некоторое непродолжительное время был его сотрудником, объявили, что радиоактивность, в сущности, обесценивает все результаты Кельвина, связанные с возрастом как Земли, так и Солнца. Один журнал встретил сообщение Резерфорда, что Земля проживет гораздо дольше, чем оценивал Кельвин, броским заголовком «Страшный суд откладывается».
Кельвин, со своей стороны, живо интересовался[151] открытиями, связанными с радием и радиоактивностью, однако так и не склонился к мысли, что это как-то повлияет на его оценки возраста Земли и Солнца. По крайней мере поначалу он отказывался признавать, что источник энергии радиоактивных элементов может лежать в них самих, и писал: «Осмелюсь предположить, что когда радий передает тепло массивному веществу, которое его окружает, энергию ему сообщают какие-то эфирные волны»[152]. Иными словами, Кельвин предположил, что атомы просто забирают энергию из эфира (в то время предполагалось, что он пронизывает все пространство), а при распаде высвобождают ее. Однако в 1904 году он все же набрался недюжинной интеллектуальной отваги[153] и публично отказался от своей идеи на съезде Британской ассоциации, хотя так и не предал гласности свое отречение в печати. К сожалению, по какой-то неясной причине в 1906 году он снова утратил общий язык с остальными физиками: он был категорически не согласен, что при радиоактивном распаде один элемент превращается в другой, хотя и Резерфорд, и другие физики представили веские доказательства этого явления. Все это время Фредерик Содди, который успел создать себе репутацию в физическом сообществе Англии, то и дело терял терпение. На страницах «The Times» он затеял ожесточенную дискуссию[154] с Кельвином и позволил себе оскорбительные намеки: «Жаль, если широкая публика ошибочно решит, будто мнение тех, кто лично не работал с радиоактивными телами [аллюзия на Кельвина], следует уважать наряду с теми, у кого есть подобный опыт». Еще до этой перепалки, в книге, вышедшей в свет в 1904 году, Содди заявил, ни много ни мало, что «пределы прошлого и будущего в истории Вселенной сильнейшим образом раздвинулись».
Резерфорд был несколько великодушнее. Много лет спустя он часто рассказывал об одном случае на лекции по радиоактивности, которую он читал в Королевском институте в 1904 году.
«Я вошел в полутемный зал и сразу заметил среди публики лорда Кельвина и понял, что с последней частью моего доклада, где пойдет речь о возрасте Земли, будут сложности, поскольку мои взгляды противоречили представлениям лорда Кельвина. К моему великому облегчению, он тут же заснул, но едва я дошел до важного места, как старый пройдоха вскинулся, открыл один глаз и смерил меня ядовитым взглядом! Тут на меня снизошло вдохновение, и я сказал, что лорд Кельвин ограничил возраст Земли при условии, что не будет обнаружено никаких новых источников энергии. Так вот, это провидческое заявление и относится к теме моего сегодняшнего доклада – к радию! Видели бы вы, как просиял старик[155].»
Впоследствии одним из самых надежных методов, позволяющих определить возраст минералов, скал и прочих геологических объектов, в том числе и самой Земли, стал метод радиоизотопного датирования[156]. В целом метод основан на том, что радиоактивный элемент превращается в другой радиоактивный элемент со скоростью, определяемой периодом полураспада – то есть временем, за которое первоначальное количество вещества уменьшится вдвое. Элементы распадаются, пока не получится стабильный элемент. Если измерить и сравнить относительное количество радиоактивных изотопов в природе и сопоставить эти данные с известными периодами полураспадов, можно с высокой точностью определить возраст Земли, что и сделали геологи.
