Горячая молодая Земля: бесспорно красиво и совершенно неверно

Карл Циммер

Ученый и писатель; автор книги Planet of Viruses («Планета вирусов»)

Около 4,567 миллиарда лет назад образовалось огромное облако пыли. В центре облака начало светить наше Солнце, в то время как внешние частицы пыли стали слипаться, вращаясь вокруг новой звезды. В течение миллионов лет эти скопления пыли превратились в протопланеты. За 50 миллионов лет наша собственная планета приобрела примерно половину нынешней массы. Так как другие протопланеты сталкивались с Землей, она продолжала расти. В общей сложности, потребовалось еще 50 миллионов лет, чтобы она достигла своего полноценного размера, – время, в течение которого планета размером с Марс врезалась в Землю, оставив память об этом событии, – нашу Луну.

Образование Земли поражает воображение – оно величественно. Но я бы не назвал приведенное мной объяснение элегантным. Ученые не вывели его из основных законов. Эквивалента уравнению e = mc², которое на основе происходивших в ранней Солнечной системе процессов предсказало бы появление обводненной планеты с условиями для жизни, не существует. На самом деле, причина, по которой мы так много знаем о происхождении Земли, состоит в том, что геологи избавились от заманчиво элегантного объяснения, которое довлело над ними 150 лет назад. Оно было бесспорно красиво и совершенно неверно.

А предложил его один из величайших физиков XIX века Уильям Томсон (он же лорд Кельвин). Вклад Кельвина в науку огромен. Он занимался и прикладными вещами (прокладка телеграфного кабеля из Европы в Америку), и теорией (первое и второе начала термодинамики). Большую часть своей деятельности Кельвин посвятил уравнениям, которые позволили бы подсчитать, как быстро остывают горячие предметы. Он понимал, что эти уравнения можно использовать для определения возраста Земли. «Математическая теория, на которой основаны эти оценки, очень проста», – заявил Кельвин, когда обнародовал свои вычисления в 1862 году.

К тому времени ученые в целом согласились с тем, что Земля первоначально представляла собой шар из расплавленной горной породы и с тех пор остывала. Такое происхождение объясняло, почему на дне шахт обнаруживается горячая порода: в первую очередь остыла поверхность Земли, а оставшееся внутри планеты тепло в дальнейшем улетучивалось в космос. Кельвин рассудил, что с течением времени планета будет постепенно остывать. Он использовал свои уравнения, чтобы подсчитать, сколько времени остывает шар из горной породы до современной температуры Земли с учетом наблюдаемой потери тепла. Его вывод – 98 миллионов лет.

Геологи бурно протестовали. Они не представляли себе возраст Земли, но мыслили не миллионами лет, а миллиардами. Чарлз Дарвин, который первоначально был геологом, подсчитал – чтобы эрозия превратила долину в Англии в ее нынешнее состояние, требуется 300 миллионов лет. Сама Земля, утверждал Дарвин, намного старше. И публикуя свою теорию эволюции, он по умолчанию считал, что Земля невообразимо стара. Избыток времени предоставлял возможность эволюции действовать медленно и незаметно.

Кельвину это было безразлично. Его объяснение представлялось таким элегантным, красивым и простым, что исключало ошибку. Неважно, сколько проблем оно создавало другим ученым, пренебрегавшим термодинамикой. Кельвин еще больше навредил геологам, когда проверил свои вычисления. Он посчитал, что первая оценка была слишком приблизительной. Возраст Земли – всего-навсего 10 миллионов лет.

Оказалось, что Кельвин ошибался, но не потому, что его уравнения были некрасивыми или неэлегантными. Они безупречны. Проблема состояла в модели Земли, которую Кельвин взял за основу для своих вычислений.

История опровержения теории Кельвина была несколько искажена в последующие годы. Многие люди (включая меня) ошибочно полагали, что его заблуждение проистекало из неведения о существовании радиации. Радиоактивность открыли только в начале 1900‑х годов, когда появилась квантовая физика. Физик Эрнест Резерфорд пришел к выводу, что тепло, выделяемое радиоактивными атомами, распадающимися внутри Земли, согревает ее дольше, чем ранее предполагалось. Таким образом, горячая Земля – это не молодая Земля.

При распаде радиоактивных элементов действительно выделяется тепло, но его недостаточно, чтобы компенсировать тепло, отдаваемое планетой в космос. Но главной ошибкой Кельвина было предположение, что Земля представляет собой просто твердый шар. На самом деле горная порода течет, как сироп: нагревание поднимает ее к земной коре, где она остывает и вновь опускается в глубину. Это перемешивание служит причиной землетрясений, перемещает старую кору вглубь планеты и образует новую кору в виде океанических горных хребтов. Благодаря этому процессу кора нагревается в значительно большей степени, чем предполагал Кельвин.

Это не означает, что радиоактивность не сыграла свою роль в доказательстве неправоты Кельвина. Физики поняли, что радиоактивный распад представляет собой часы, по которым они могут оценить возраст горных пород с высокой точностью. Таким образом, мы можем теперь сказать, что возраст Земли не просто несколько миллиардов лет, а 4,567 миллиарда.

Элегантность, несомненно, играет существенную роль в развитии науки. Математическая простота квантовой физики радует взор. Но в руках геологов квантовая физика вывела на свет блистательную, запутанную и очень неэлегантную историю нашей планеты.