Кельвин против Дарвина⁠⁠

Автор: Владимир Герасименко.

В 1859 году вышла одна из самых влиятельных книг в истории человечества – «Происхождение видов» Чарльза Дарвина. И хотя не все положения теории Дарвина, высказанные в книге, в дальнейшем будут подтверждены, что и не удивительно, но в основном дядюшка Дарвин был прав, а теория эволюции сегодня доминирует в науке. Но в момент выхода книги на Дарвина обрушилась массированная критика. Идея, что виды могут изменяться из-за случайных мутаций, которые накапливаются миллионами лет, казалась многим биологам дичью. Набросились на Дарвина и сторонники Библии, так как его теория отрицала роль «божественного творца». Всё это была критика понятная и даже ожидаемая, но вот чего уж Дарвин не ожидал, так это того, что на него накинутся физики, среди которых был уважаемый профессор Кельвин (тот самый, в честь которого названа каноничная шкала температур). Что же не поделили физики и Дарвин?

Начать стоит немного издалека - с научного метода, чтобы лучше понимать цимес всей истории. В попытке объяснить набор наблюдаемых явлений учёные выдвигают гипотезы и теории, их описывающие. Подтверждением верности теории должны выступать некие предсказываемые ею результаты, которые мы можем проверить в ходе эксперимента. В идеале экспериментов должно быть несколько независимых, чтобы минимизировать шанс ошибки. Если всё сходится и большинство учёных принимает теорию, она становится преобладающей в научном сообществе и при достаточном числе подтверждений может стать законом. Но законы не являются навсегда зафиксированными и отлитыми в граните. Любая теория или закон имеют слабые места, которые они плохо описывают или предсказывают, а потому, если появится новая теория, которая делает всё это лучше, то она станет новым мейнстримом. Поэтому в науке постоянно ведутся попытки найти более удачные теории, лучше описывающие все наблюдаемые эффекты, связанные с ними. А уж в 19 веке, когда что ни десятилетие, то открывали новую область знаний, шла настоящая война теорий. И далеко не всегда велась она честно.

Ничто человеческое ведь учёным не чуждо. Например, чувство собственного величия. А Уильям Томсон, барон Кельвин, был, несомненно, гением и имел все основания задирать нос. В 22 года (в 1846 году) он уже занял профессорскую кафедру теоретической физики в университете Глазго. Увлекаясь термодинамикой, он в столь молодом возрасте прославил себя на весь мир, сформулировав Второе начало термодинамики, немало работал вместе с другим светилом термодинамики - Джоулем над совершенствованием теории. Одной из головоломок, которые не давали Кельвину покоя, было Солнце. Благодаря работе астрономов и применению принципов механики и теории гравитации к небесным телам, уже было известно о колоссальных размерах пылающего шара в небе. Но что же настолько разогрело его и что не даёт остыть, ведь, согласно термодинамике, ничто не может быть горячим вечно без внешнего источника энергии?

Молодой лорд Кельвин

Одной из первых теорий было, естественно, что внутри солнца постоянно сгорает что-то наподобие угля, но подсчёты показывали, что в этом случае Солнце уже давно должно было выгореть. Кельвин сосредоточился на другой гипотезе. Джоуль в 1843 году доказал, что при соударении двух тел энергия этого соударения может трансформироваться в тепло. А что, если на Солнце ежедневно падают метеориты, разогревая её оболочку? Кельвину идея понравилась и он выполнил расчёты, по которым чтобы Солнце излучало столько тепла, сколько фиксируется на Земле с учётом рассеяния в эфире (ага, бездна космической пустоты ещё не изобретена), требуется чтобы на его поверхность падало 45 тонн камней в час. Тут, правда, сходу вылезает сразу несколько проблем:

1) откуда в солнечной системе столько метеоритов, чтобы стабильно падать на Солнце?

2) если просуммировать число камней, падающих в год на Солнце, то они своей массой должны были изменить гравитацию.

Примерно так в представлении сторонников метеоритной гипотезы выглядело пространство вокруг Солнца

Всё это объясняли неким поясом астероидов между Меркурием и Солнцем, который астрономы почему-то не видят. Такое себе объяснение, поэтому к этой теории Кельвин быстро охладел. Но новую идею подкинул другой физик с знакомой многим по школьным урокам смешной фамилией – Гельмгольц. В 1856 году он предположил, что Солнце светится вовсе не из-за сжигания своей материи или падения метеоритов, а из-за того, что оно под действием собственной гравитации постоянно сжимается, за счёт чего происходит его нагрев. Эта идея была очень красивой. А главное, зная примерные размеры Солнца, можно было вычислить, когда оно таки сожмётся настолько, что перестанет светить. В 1862 году Кельвин провёл расчёты, которые давали, что Солнце может существовать максимум от 20 до 100 миллионов лет. С учётом тогдашних знаний физики, данные результаты были вполне адекватны.

Внутреннее давление раскалённых газов в реальности уравновешивает гравитационное сжатие. Но об этом до появления теории о термоядерном синтезе никто не догадывался

Другой проблемой, которая была напрямую связана с возрастом Солнца, был возраст Земли. Уже тогда учёные считали, что в древности Земля была горячей планетой из расплавленной породы. Кельвин предполагал, что изначально она имела некое конечное количество энергии, которое позже было растрачено из-за остывания коры. По мнению Кельвина, после застывания Земля представляла собой твёрдый однородный шар с холодной оболочкой и горячим центром. За счёт теплопроводности горячее ядро не даёт окончательно остыть поверхности, растрачивая на это остатки того изначального тепла. Соответственно, если измерить изменение температуры в зависимости от глубины, то можно с определённой точностью оценить температуру ядра и скорость остывания планеты. Проведённые геологические измерения, в разных местах показали, что температура недр изменяется на 35 °С на километр. С учётом предположения об однородности внутренней структуры Земли температура ядра лежала в диапазон от 4000 до 5000 °С. А значит, с учётом предположения, что в начале времён поверхность планеты имела ту же температуру, то выходило, что возраст Земли находится в пределах от 20 до 400 миллионов лет. Все эти выводы были опубликованы в 1864 году в работе «О вековом охлаждении Земли».

Как несложно заметить, Кельвин не сильно ошибся в своих оценках температуры ядра

Опять же, начальные гипотезы и подтверждающие расчёты полностью соответствовали тогдашним представлениям физиков. А авторитет Кельвина был столь высок, что мало кто из физиков смел предположить, что он вообще мог ошибаться. Сам Кельвин, например, такой мысли не допускал. Тем более, что его расчёты максимального возраста Солнца и Земли так хорошо сходились. Было только два маленьких нюанса. Первый – это мерзкие геологи, с которыми Кельвин воевал ещё с 40-х годов. Эти чудики отрицали мощь физики и утверждали, что внутренние процессы в коре Земли им лучше известны, и, мол, эти процессы имеют длительность гораздо больше нескольких сотен столетий. А раз геологии нужны миллиарды лет, то значит физики просто чего-то не знают и делают ошибочные расчёты. Кельвин, при поддержке прочих физиков, громил геологов и вообще выписывал из учёных за упорство «в своих фантазиях». Геологи не могли толком объяснить как при условии длительности существования Земли в миллиарды лет мог выполняться закон сохранения энергии, с учётом постоянных потерь из-за охлаждения, а потому вынуждены были терпеть.

Просто оцените уровень дискуссии:

«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 то, что эти действия в целом никогда не были более интенсивными, чем сейчас».

Геохронологическая шкала на момент середины 19 века ещё не была окончательно определена, но общая её длительность уже выходила далеко за 100 миллионов лет

Когда же в руки Кельвина попала книга Дарвина, где прямо утверждалось, что процессы эволюции занимали сотни миллионов, если не миллиарды лет, то маститый учёный хищно набросился на ещё одного дилетанта от науки. Критика со стороны Кельвина была для Дарвина тяжёлым ударом. Доводов для опровержения точки зрения «гения от физики» у него не было, а немногочисленные его друзья среди геологов и физиков (в те времена научный мир был довольно тесен) сами шельмовались Кельвином. Из-за столь значимой дыры в своей теории, в новых переизданиях «Происхождения видов» Дарвин вынужден был сжимать время, ускоряя эволюцию видов, но даже при таких допущениях предельный возраст в 100 миллионов лет никак не бился с оценками Дарвина.

К 1870-м сложилась парадоксальная ситуация, когда две научные теории – геологов и биологов, предсказывали один возраст Земли, а физиков – совершенно другой. Причём все три теории полностью соответствовали уровню знаний для своей области наук. Однако было очевидно, что кто-то из них всё же неправ, но авторитет Кельвина не позволял слишком многим усомниться в правоте теории физиков. Единственным отступлением, которое мог допустить Кельвин было увеличение возраста Земли и Солнца до 400 миллионов лет из-за возможных неучтённых погрешностей, но ни геологам, ни биологам такого времени всё равно не хватало для адекватной работы их теорий.

Чарльз Дарвин и его оппоненты

Тогда Кельвин взялся за то, чтобы раз и навсегда доказать альтернативным методом неправоту дешёвок от науки. И ему пришла в голову гениальная идея: из-за вращения Земли во время её первоначальной жидкой фазы та должна была принять приплюснутую с полюсов форму, во время затвердевания эта форма должна была зафиксироваться и не меняться. По разнице между формой шара и реальной формой Земли можно оценить первоначальную скорость вращения Земли. Из-за влияния Луны, которая своим гравитационным воздействием подтормаживает Землю, нынешняя скорость вращения будет отличаться от первоначальной. Сравнив эти скорости с оценкой степени влияния гравитации Луны на Землю, можно было очень приблизительно вычислить возраст Земли.

Влияние приливов, вызванных Луной, на скорость вращения Земли

Идея была чертовски красивая, базовые гипотезы полностью согласовывались с актуальным уровнем знаний. Хотя Кельвин и признавал, что из-за несовершенств наших знаний финальный результат будет очень неточным, но был уверен, что он даст +- тот же результат, что и прочие его расчёты. Кельвин только не учёл одного нюанса – далеко не все учёные благоговели перед великим и ужасным. Сын Чарльза Дарвина – Джордж – был неплохим математиком, а ещё не очень уважал Кельвина за нападки на отца. Он взялся доказать, что в вопросе изменения скорости вращения Земли великий Кельвин неправ. И он это сделал в серии работ 1877-1879 годов, где убедительно доказал, что Земля будет менять форму даже при затвердевании, так как она не бесконечно твёрдая. Более того, так как точное строение Земли было неизвестно, то и провести численные оценки возраста по такому методу будет совершенно невозможно. Кельвину эту критику крыть было нечем, старший Дарвин всячески хвалил сына, но проблема была в том, что ключевых претензий Кельвина всё это не снимало.

Дарвин умрёт так и не узнав, что его самый серьёзный оппонент ошибался, причём очень сильно. Рост сомнений в выводах Кельвина начался именно после его громкого провала с вращением Земли. Часть коллег-физиков стали всё чаще обращать внимание, что учёным следует не отметать неудобные факты из смежных областей, а пытаться найти удовлетворительные для всех их объяснения. Кельвин на это лишь продолжал твердить про то, что его расчёты верны, так как верна термодинамика. Иронично, но первый удар по Кельвину нанёс его же собственный ассистент Джон Перри. Он выдвинул гипотезу, что идея о равномерно твёрдой Земле неверна. Перри на основании данных геологов предположил, что под действием температуры внутри Земли её ядро может быть жидким, а значит тепло может передаваться не только за счёт теплопроводности, но и конвекции (когда более тёплые слои жидкости создают течения переносящие тепло)!

Современные представления о процессах теплообмена внутри земной коры

Кельвин такого удара не ожидал, а потому пошёл в сокрушительную атаку. В своих выступлениях в 1896-1897 годах он не только обрушился с массированной критикой на Перри, но и снова начал шельмовать геологов и эволюционистов, а также выдвинул новые оценки возраста Земли – всего в 24 миллиона лет. Но магии авторитета уже не хватало – многие старые сторонники Кельвина тоже стали сомневаться в его выкладках, так как геологи и эволюционисты год от года получали всё больше доказательств собственной правоты. Гипотезу Перри Кельвин тоже толком не мог опровергнуть, но и Перри свою гипотезу подтвердить не мог, так как убедительные её доказательства появятся лишь спустя более полувека.

Но тут по Кельвину был нанесён второй удар, ещё более мощный и с совершенно неожиданной им стороны – открытие в 1903 году Пьером Кюри, что радиоактивные вещества в процессе распада выделяют тепло, ставило жирный крест на законе сохранения энергии в понимании Кельвина. Радиоактивные вещества могли длительное время подпитывать недра Земли теплом, мешая её остыванию и руша все расчёты Кельвина и прочих термодинамиков. Появление метода радиоизотопного датирования пород в 1907 году ещё больше расшатало основание теории Кельвина. Тем не менее, великий учёный всё ещё был непреклонен, ведь у него был второй железный аргумент – возраст Солнца. В 1907 году, когда он умер, вопрос так и не был закрыт, и после сторонники Кельвина всё продолжали бороться с увеличением возраста Земли. Финальную точку в дискуссии поставит развитие науки о радиоактивности и появление теории термоядерного синтеза, которая отлично объяснит природу Солнца с минимумом допущений, согласуясь при этом с оценками возраста Земли по геологическим и радиоуглеродным методам.

Пьер и Мария Кюри шатают устои термодинамики

Кельвин был без сомнения велик, а его вклад в термодинамику неоценим, но его упёртость, нежелание слушать критику, а также какой-то физикофашизм по отношению к прочим наукам нанесли ничуть не меньше вреда, чем он принёс пользы. Требуя от своих противников следовать научным методам, он в то же время сам им не всегда следовал, отвергая всё то, что не вяжется с его теориями. В итоге великий учёный сел в великую лужу, но до этого немало карьер успел попортить своим крестовым походом за истину в науке.

Автор: Владимир Герасименко.

Оригинал: https://vk.com/wall-162479647_407187

Пост с навигацией по Коту

А ещё вы можете поддержать нас рублём, за что мы будем вам благодарны.

Яндекс-Юmoney (410016237363870) или Сбер: 4274 3200 5285 2137.

При переводе делайте пометку "С Пикабу от ...", чтобы мы понимали, на что перевод. Спасибо!

Подробный список пришедших нам донатов вот тут.

Подпишись, чтобы не пропустить новые интересные посты!