Лорд Келвин, Дарвин и времето на земјата лекција по соработници со научен професионализам
Некои од најголемите научници,
внимателно проучување на доказите обезбедени од геологијата,
тие дојдоа до заклучок дека нашиот свет е
енормно стара, и можеби е во право.
Но, лордот Келвин има поинакво мислење.
Тој е претпазлив, има конзервативна визија
и тој со право верува,
дека светот не е толку стар, како што велат тие.
Затоа што Лорд Келвин е најголемиот научен авторитет денес,
Мислам дека треба да попуштиме и да ги прифатиме неговите ставови.
Марк Твен, Писма од Земјата
Еден од најраните предизвици со кои се соочувале луѓето е староста на Земјата. Ако Аристотел (384–322 п.н.е.), во метеорологијата, верувал дека светот е вечен, подоцна христијанските и исламистичките научници напредувале и други идеи, потпирајќи се на светите религиозни книги. ал-Бируни (околу 973-1050) проценува дека староста на Земјата е помала од 10 000 од времето на Битие, а епископот Jamesејмс Ушер (1581–1686) бил крајно „прецизен“: Земјата е создадена „ноќта на 23-ти. Октомври 4004 година, п.н.е. ” Библиските пресметки на Ушер ја импресионирале публиката, под силно влијание на христијанската религија, така што датумот што го предложил станал стандардна хронологија.
Првиот обид за научна проценка на староста на Земјата му припаѓа на Данецот Николаус Стено (1638 -1686), кој воведе (во 1669 година) четири принципи за одредување на релативната геолошка старост. Во основа, Стено им зададе решавачки удар на претходните обиди да се користат религиозни извори за антички геолошки студии: историјата на Земјата не треба да се бара во човечки списи, туку во копнени карпи.
Во 1788 година, Шкотланѓанецот Jamesејмс Хатон го објави своето истражување за неколку природни процеси (дејство на бранови, ерозија предизвикана од проточна вода и феномени на транспорт и таложење на седименти) во импресивно дело „Теорија на Земјата“; или истрага на законите што може да се забележат во составот, распаѓањето и обновувањето на земјиштето на земјината топка. Бидејќи е првиот специјализиран трактат, Хатон се смета за основачки татко на модерната геологија.
Трактатот на Хатон беше тежок за пишување, употребените термини беа непознати и тешко разбирливи, па одекот на првата книга за геологија беше ограничен. Заслуга е на аматерскиот адвокат и геолог Чарлс Лајел што ги обработил идеите и концептите на Хатон на многу подостапен јазик за читателите од неговото време, објавувајќи го во 1830 година првото издание на томот Принципи на геологијата. Копија од оваа книга му беше дадена на младиот Чарлс Дарвин кога се качи на Бигл во 1831 година.
Униформниот геолошки модел (ова што се случува сега се случило во минатото - сегашноста е клучот за минатото), првично предложено од Хатон, а подоцна експлоатирано од Лајл, не направи точни проценки за староста на Земјата. Поаѓајќи од принципите на Стено, беше речено само дека слоевите подолу се постари од оние зачувани погоре, но колку години има или не се наведени. На крај, се сметаше за исклучително долг временски период.
Чарлс Дарвин целосно ја искористи оваа геолошка неточност при развивањето на неговата еволутивна теорија. За да може да се потпре на исклучително бавната работа на механизмот за природна селекција, на Дарвин му требаше огромно време за да ја оправда органската еволуција присутна во фосилните докази.
Како оправдување за огромното геолошко време што му беше потребно, Дарвин даде пример за ерозија на морската карпа Велд во Сасекс, југо-источна Англија. Претпоставувајќи стапка на ерозија од еден инч (2,5 см) на век, Дарвин го изнесе предлогот дека ќе беа потребни 300 милиони години за да се произведе вкупната количина на ерозија што ја претрпе карпата Велд. Неговиот ментор, Чарлс Лајел, се согласи со оваа бројка.
Треба да се напомене дека стапката на ерозија (2,5 см/век), претпоставена од Дарвин, беше обична шпекулација, без никакви теренски или лабораториски мерења. Униформниот модел Хатон-Лајел, кој сметаше дека таложењето/ерозијата на седиментот е многу бавен процес, може да овозможи избор на кој било посакуван временски период: сто, илјада или милион години, на пример. Дарвин немаше избор заснован на релевантни научни набудувања или конкретни лабораториски/теренски мерења, тој беше, како што напишав, само аматер-геолог. Значи, Потеклото на видовите го користеше геолошкиот модел кој постоеше за време на објавувањето на книгата (1859 година) и произволно геолошко време - 300 милиони години - за да се овозможи функционирање на природната селекција. Иако Дарвин имал намера само да даде груба временска проценка за да ја оправда својата идеја, неговото тврдење предизвика многу полемики - толку многу што беше принуден целосно да го отстрани од подоцнежните изданија на неговото дело.
Волшебната фигура - 300 милиони години - предизвика негативна реакција на најголемиот физичар во деветнаесеттиот век, Вилијам Томпсон (1824 - 1907), кој подоцна стана лорд Келвин. Младиот физичар бил заинтригиран (и испровоциран) од фигурата напредната од Дарвин, која тој ја сметал за „апсурдна“.
Во 1861 година, Лорд Келвин започнал да ги напаѓа просториите на геолошкиот модел предложен од Хатон (и користен од Дарвин во 1859 година), што сугерира бесконечна старост на Земјата. Главниот напад се фокусираше на стапките на геолошки процеси (на пр., Ерозија), кои беа крајно несигурни, а понекогаш и невозможно да се измерат на терен. Вториот напад беше врз претпоставката на Хатон дека хемиските реакции во внатрешноста на Земјата континуирано произведуваат топлина и со тоа ја одржуваат планетата во стабилна топлинска состојба. Ако Земјата е во бесконечна возраст, според Хатон, таквата состојба би била еквивалентна на вечна машина за производство на топлина, односно прекршување на Првиот закон за термодинамика.
Лорд Келвин тргна да ја утврди апсолутната старост на Земјата на научна основа, со директна поддршка од теренски и лабораториски мерења. Аргументите и неговиот модел за пресметка имаа геотермална природа: Земјата беше формирана со помош на акумулација, што генерираше механичка топлина, сметана тогаш (XIX век) како единствен извор на внатрешна топлина на планетата. Во времето на формирањето, планетата била во стопена состојба (
2.000 ° C), по што почна да се лади континуирано. Доказ: мерења на геотермален градиент во рударски бунари, што укажува на постојан пад на температурата од длабочина до површина.
Геотермалниот модел развиен од Лорд Келвин беше елегантна математичка конструкција, закотвена од три основни столба: почетната температура на јадрото на Земјата (
2.000 ° C), геотермалниот градиент и топлинската спроводливост на карпите. Последните две варијабли беа измерени од самиот Келвин [1].
Во 1862 година, Лорд Келвин ја објави својата анализа во написот За секуларното ладење на Земјата.
Возраста на Земјата, според неговите пресметки, би била помеѓу 20 и 400 милиони години, со најверојатна вредност од 100 милиони години. Тука треба да се нагласи дека проценката на Келвин не беше обична аматерска хипотеза или шпекулација. Се засноваше на прецизен математички модел, почитувајќи ги законите за термодинамика и заснован на теренски и лабораториски мерења.
Влијанието на статијата на Келвин беше извонредно: ако возраста на Земјата е само 100 милиони години, тоа значи дека немаше доволно време за еволуција да ја објасни различноста на животните форми, предвидени од Дарвин. Нападите на Келвин врз геологијата и Дарвин остана без постојан и организиран одговор од нападнатите. Во тоа време, геологијата не уживаше во научната состојба во физиката. И Келвин - ран генијалец кој го објави својот прв научен труд на 16-годишна возраст и стана, на само 22 години, носител на позната фотелја на Универзитетот во Глазгов - уживаше во огромен интелектуален раст. Покрај тоа, Келвин ја добил староста на Земјата од квантитативни и повторливи мерења, користејќи ги физичките закони и елегантен математички модел. Ако на оваа ситуација ги додадеме и неговите аргументи за несигурноста на геолошките податоци, лесно сфаќаме дека пристапот на Келвин беше поразителен за Дарвин и неговата теорија.
Келвин го нападна Дарвин директно, прашувајќи саркастично: Дали беа погрешни моите лабораториски мерења и математички пресметки или беше поверојатно „бурното море, со плима, евентуално екстремно насилство, да еродира карпа од креда од 1000 стапки? или побрзо од проценката на г. Дарвин за еден сантиметар на век? “[2]
Дарвин беше згрозен: поминаа само три години од објавувањето на „Потеклото на видовите“, и тука тој е без неговиот главен аргумент за механизмот за природна селекција - огромна сума на време. Тој му напиша на Алфред Расел Валас дека „ставовите на Томпсон за неодамнешната ера на светот долго време беа еден од моите најболни проблеми“. И тој го моли својот ментор, Чарлс Лајел: „Откако толку силно ги изгорев прстите за прашањето Валден, се плашам за тебе.“ Но, заради Бога, погрижи се за твоите прсти; сериозно да ги запалиме, како и јас, е многу непријатно “.
Келвин ја пресметуваше староста на Земјата двапати, користејќи различни почетни услови за температурата на јадрото на Земјата. Во 1866 година, тој ја намали горната граница на возраст на 100 милиони. Во 1897 година, Келвин проценил дека Земјата ќе биде стара помеѓу 20 и 40 милиони години, што е често помалку од времето на Дарвин потребно за да функционира природната селекција. Несомнено, оваа последна пресметка беше силен удар врз теоријата предложена во Потеклото на видовите. Во сите последователни изданија на својата книга, Дарвин, кој почина во 1882 година, го избриша проблематичниот став стар 300 милиони години.
Научниот пристап на Келвин доби нова и одлучувачка потврда во 1899 година, кога ирскиот физичар Johnон olоли (1857 - 1933) разви робустен и едноставен метод за проценка на староста на Земјата. Вкупната содржина на сол во океаните ја подели по стапката на транспорт на сол во морето по реки. Olоли проценил дека биле потребни 80 до 90 милиони години за океаните да ја соберат својата сол.
Кога два сосема различни методи (Келвин и Jој) произведуваат слични возрасти на Земјата, може да се каже дека „науката зборувала“ и дека нема (многу) простор за сомнеж. Освен што научните вистини не се апсолутни - лекција што треба да се одржи/разбере во целото свое филозофско значење и длабочина.
Р.Т. Чемберлин, патријархот на американската геологија, ја нападна претпоставката на Келвин од 1899 година дека Земјата е затворен систем чија почетна топлина постепено се намалува. Тој посочи дека внатрешната структура на атомите, непозната во тоа време, може да содржи значителни количини на енергија. [3]
Интуицијата на Чемберлин се покажа вистинита. Откривањето на природната радиоактивност и новата атомска физика несомнено укажуваат дека некои карпи (гранити, гранодиорити, дијабази, глини и сл.) Содржат значителни количини на минерали (особено ураниум, ториум и калиум), кои преку спонтано распаѓање ослободуваат таканаречена радиоактивна топлина. Оваа топлина понекогаш може да има значителни вредности. На пример, утврдивме дека карпите во основата на државата Оклахома произведуваат во просек 2,5 mW/m ^ 3. Светските просечни вредности на производство на радиоактивна топлина се во опсег од 1,9 - 2,4 mW/m ^ 3.
Покрај постоењето на радиоактивна топлина, друга критика сериозно ја намали вредноста на моделот Келвин за пресметување на староста на Земјата. Лорд Келвин претпостави дека ширењето на топлината, од јадрото до површината, се одвива само преку спроводливост (пренос на топлина низ цврсти карпи). Но, геофизичарите исто така укажаа на присуство на феноменот на конвекција, кога топлината се шири преку течности, како што е астеносферата на основата на земјината кора или горната мантија. Покрај тоа, ширењето на топлината со конвекција денес се смета за главен механизам за пренос на топлина во внатрешноста на Земјата.
Лорд Келвин првично ја отфрли идејата дека радиоактивноста може да емитува топлина во значителни количини, но во 1904 година тој јавно се откажа од својот модел на пресметување на староста на Земјата, што ги создаде кошмарите на Дарвин.
Радиоактивното датирање ја процени апсолутната старост на Земјата (4,5 милијарди години) и нејзината споредба со другите карпи, собрани на Месечината или донесени од метеорити. Со оглед на таквиот временски интервал, природната селекција, предложена од Дарвин како еволутивен механизам, имала доволно време да генерира варијации во животните форми.
Иако неговиот модел беше поништен со нови откритија, Лорд Келвин им понуди извонредна лекција по научен професионализам на своите современици и на идните генерации на геолози, геофизичари, биолози итн.
БИБЛИОГРАФИЈА
Аја, С. У. и Ц. Крангану, 2013 година, Истражувајќи го Земјиниот систем, Кендал Хант Издаваштво Ко.
[1] На пример за моделот Келвин, видете ја мојата докторска дисертација, Проток на топлина во Оклахома, развиена во 1997 година. Користев над 120 мерења на геотермален градиент низ државата Оклахома и мерев, со помош на неколку студенти, над 1.500 топлинска спроводливост на карпи од различни дупнатини и различни длабочини. Конечно, го произведовме првиот топлински флукс и мапи со радиоактивна топлина за државата Оклахома.
Во 2012 година, мојата докторска дисертација, дополнета со други прилози, беше објавена во книгата Топлински проток во Оклахома и јужноцентралните САД: Сеопфатна студија за проток на топлина и производство на топлина.
[2] Сер Вилијам Томпсон, Лорд Келвин, 1900 година, Возраста на топлината на сонцето, во есеи во астрономијата, изд. Едвард Синглтон Холден, Д. Аплтон и Ко., Newујорк, стр. 49.
[3] Далримпл, Г. Б., 2004, Античка Земја, античко небо: Ерата на Земјата и нејзината космичка околина, Универзитет Стенфорд, Универзитет Стенфорд, Калифорнија, стр. 36.