Lord Kelvin, Darwin a doba Zeme - lekcia prispievateľov do vedeckej profesionality
Niektorí z najväčších vedcov,
pozorne študovať dôkazy poskytnuté geológiou,
došli k záveru, že náš svet je
nesmierne stará a mohla by mať pravdu.
Lord Kelvin má ale iný názor.
Je opatrný, má konzervatívny zrak ...
a on správne verí,
že svet nie je taký starý, ako sa hovorí.
Pretože lord Kelvin je dnes najväčšou vedeckou autoritou,
Myslím si, že sa musíme poddať a prijať jeho názory.
Mark Twain, Listy zo Zeme
Jednou z prvých výziev, ktorým ľudia čelili, bol vek Zeme. Ak Aristoteles (384–322 pred n. L.) V meteorológii veril, že svet je večný, neskôr kresťanskí a islamistickí vedci rozvíjali ďalšie myšlienky, opierajúc sa o posvätné náboženské knihy. al-Biruni (asi 973–1050) odhadol podľa Genesis vek Zeme na menej ako 10 000 a biskup James Ussher (1581–1686) bol mimoriadne „presný“: Zem bola stvorená „v noci 23. dňa. Októbra 4004 pred Kr. “. Biblické výpočty Usshera zapôsobili na publikum, ktoré bolo silne ovplyvnené kresťanským náboženstvom, takže navrhovaný dátum sa stal štandardnou chronológiou.
Prvý pokus o vedecké odhadnutie veku Zeme patrí Dánovi Mikulášovi Stenovi (1638 - 1686), ktorý zaviedol (v roku 1669) štyri princípy určovania relatívneho geologického veku. Steno v zásade zasadil rozhodujúcu ranu predchádzajúcim pokusom využiť náboženské zdroje pre starodávne geologické štúdie: históriu Zeme netreba hľadať v ľudských spisoch, ale v pozemských horninách.
V roku 1788 publikoval Škót James Hutton svoj výskum niekoľkých prírodných procesov (pôsobenie vĺn, erózia spôsobená tečúcou vodou a javy transportu a usadzovania sedimentov) v pôsobivom diele Teória Zeme; alebo vyšetrovanie zákonov pozorovateľných v zložení, rozpustení a obnove krajiny na svete. Ako prvé odborné pojednanie je Hutton považovaný za zakladateľa modernej geológie.
Huttonovo pojednanie bolo ťažké napísať, použité termíny boli neznáme a ťažko pochopiteľné, takže ozvena prvej geologickej knihy bola obmedzená. Je zásluhou amatérskeho právnika a geológa Charlesa Lyella, že spracoval Huttonove myšlienky a koncepty v jazyku, ktorý je oveľa prístupnejší masám čitateľov svojej doby, a v roku 1830 vydal prvé vydanie zväzku Princípy geológie. Kópia tejto knihy bola odovzdaná mladému Charlesovi Darwinovi, keď sa v roku 1831 nalodil na Beagle.
Uniformitárny geologický model (to, čo sa deje teraz, sa stalo v minulosti - prítomnosť je kľúčom k minulosti), ktorú pôvodne navrhol Hutton a neskôr využil Lyell, neurobil presné odhady veku Zeme. Vychádzajúc zo Stenových princípov sa hovorilo iba o tom, že nižšie uvedené vrstvy sú staršie ako tie uložené vyššie, ale to, koľko rokov niektoré boli alebo neboli špecifikované. Na hranici limitu sa to považovalo za mimoriadne dlhé časové obdobie.
Charles Darwin túto geologickú nepresnosť pri vývoji svojej evolučnej teórie využil naplno. Aby sa Darwin mohol spoľahnúť na extrémne pomalú činnosť mechanizmu prirodzeného výberu, potreboval obrovské množstvo času na ospravedlnenie organického vývoja prítomného vo fosílnych dôkazoch.
Ako odôvodnenie obrovského geologického času, ktorý potreboval, uviedol Darwin príklad erózie skaly Weald Sea v Sussexe v juhovýchodnom Anglicku. Za predpokladu rýchlosti erózie jeden palec (2,5 cm) za storočie, Darwin predložil návrh, že by trvalo 300 miliónov rokov, kým by sa vyrobilo celkové množstvo erózie, ktorú utrpeli skaly Weald. S touto postavou súhlasil jeho mentor Charles Lyell.
Je potrebné poznamenať, že rýchlosť erózie (2,5 cm/storočie) predpokladaná Darwinom bola iba špekuláciou bez akýchkoľvek terénnych alebo laboratórnych meraní. Hutton-Lyellov uniformitariánsky model, ktorý považoval usadzovanie/eróziu sedimentov za veľmi pomalý proces, by mohol umožniť výber ľubovoľného požadovaného časového obdobia: napríklad sto, tisíc alebo milión rokov. Darwin nemal na výber na základe relevantných vedeckých pozorovaní alebo konkrétnych laboratórnych/terénnych meraní, bol to, ako som napísal, iba amatérsky geológ. Organizácia Origin of Species teda použila geologický model existujúci v čase vydania knihy (1859) a svojvoľný geologický čas - 300 miliónov rokov - na umožnenie fungovania prírodného výberu. Hoci Darwin mal v úmysle poskytnúť iba hrubý časový odhad, ktorý by ospravedlnil jeho myšlienku, jeho tvrdenie vyvolalo veľa kontroverzií - až do tej miery, že bol nútený ho úplne odstrániť z neskorších vydaní svojej práce.
Čarovná postava - 300 miliónov rokov - vzbudila negatívnu reakciu najväčšieho fyzika devätnásteho storočia Williama Thompsona (1824 - 1907), ktorý sa neskôr stal lordom Kelvinom. Mladého fyzika zaujala (a provokovala) postava pokrokového Darwina, ktorú považoval za „absurdnú“.
V roku 1861 začal lord Kelvin útočiť na priestory geologického modelu, ktorý navrhol Hutton (a použil ho Darwin v roku 1859) a ktorý naznačoval nekonečný vek Zeme. Hlavný útok sa zameral na rýchlosti geologických procesov (napr. Eróziu), ktoré boli v teréne mimoriadne neisté a niekedy nemožné ich zmerať. Druhý útok bol za predpokladu Huttona, že chemické reakcie vo vnútri Zeme nepretržite produkujú teplo a udržujú tak planétu v stabilnom tepelnom stave. Ak by bola Zem nekonečného veku, podľa Huttona by sa takýto stav rovnal večnému stroju na výrobu tepla, to znamená porušeniu prvého zákona termodynamiky.
Lord Kelvin sa vydal na stanovenie absolútneho veku Zeme na vedeckom základe s priamou podporou poľných a laboratórnych meraní. Jeho argumenty a výpočtový model boli geotermálnej povahy: Zem bola vytvorená akréciou, ktorá generovala mechanické teplo, ktoré sa v tom čase (devätnáste storočie) považovalo za jediný zdroj vnútorného tepla na planéte. V čase formovania bola planéta v roztavenom stave (
2 000 ° C), po ktorom sa začalo nepretržite ochladzovať. Dôkaz: merania geotermálneho gradientu v banských vrtoch, ktoré naznačovali stabilný pokles teploty z hĺbky na povrch.
Geotermálny model vyvinutý lordom Kelvinom bol elegantnou matematickou konštrukciou ukotvenou v troch základných pilieroch: počiatočná teplota zemského jadra (
2 000 ° C), geotermálny gradient a tepelná vodivosť hornín. Posledné dve premenné meral samotný Kelvin [1].
V roku 1862 publikoval lord Kelvin svoju analýzu v článku O sekulárnom ochladení Zeme.
Vek Zeme by sa podľa jeho výpočtov pohyboval medzi 20 až 400 miliónmi rokov, s najpravdepodobnejšou hodnotou 100 miliónov rokov. Tu je potrebné zdôrazniť, že Kelvinov odhad nebol iba obyčajnou amatérskou hypotézou alebo špekuláciou. Bol založený na presnom matematickom modeli rešpektujúcom zákony termodynamiky a bol založený na terénnych a laboratórnych meraniach.
Dopad Kelvinovho článku bol mimoriadny: ak je vek Zeme iba 100 miliónov rokov, znamená to, že na evolúciu nebol dostatok času na vysvetlenie rozmanitosti foriem života, ktoré predpovedal Darwin. Kelvinove útoky na geológiu a Darwinovu ľavicu bez dôslednej a organizovanej reakcie zo strany napadnutých. V tom čase sa geológii netešil vedecký stav fyziky. A Kelvin - raný génius, ktorý publikoval svoje prvé vedecké práce vo veku 16 rokov a stal sa, vo svojich 22 rokoch, držiteľom slávnej stoličky na univerzite v Glasgowe - mal obrovský intelektuálny vzrast. Kelvin navyše získal vek Zeme z kvantitatívnych a opakovateľných meraní pomocou fyzikálnych zákonov a elegantného matematického modelu. Ak k tejto situácii pridáme jeho argumenty o neistote geologických údajov, ľahko si uvedomíme, že Kelvinov prístup bol pre Darwina a jeho teóriu zničujúci.
Kelvin zaútočil priamo na Darwina a sarkasticky sa spýtal: Boli moje laboratórne merania a matematické výpočty zlé, alebo bolo pravdepodobnejšie, „že by rozbúrené more s prílivom a odlivom, možno s extrémnym násilím, rozbilo kriedovú skalu dlhú 30 metrov? alebo rýchlejšie ako odhad pána Darwina na jeden palec za storočie? “[2]
Darwin bol zdesený: od publikácie Pôvod druhov ubehli iba tri roky a tu bol bez svojho hlavného argumentu pre mechanizmus prirodzeného výberu - nesmierne veľa času. Napísal Alfredovi Russelovi Wallaceovi, že „Thompsonove názory na nedávny vek sveta boli dlho jedným z mojich najbolestivejších problémov.“ A prosí svojho mentora Charlesa Lyella: „Potom, čo som si tak veľmi popálil prsty v otázke Wealden, bojím sa o teba.“ Ale preboha, postaraj sa o svoje prsty; vážne ich spáliť, ako som to urobil ja, je veľmi nepríjemné “.
Kelvin dvakrát prepočítal vek Zeme pomocou rôznych počiatočných podmienok pre teplotu zemského jadra. V roku 1866 znížil hornú vekovú hranicu na 100 miliónov. V roku 1897 Kelvin odhadoval, že Zem bude stará medzi 20 až 40 miliónmi rokov, čo je často menej ako Darwinov čas potrebný na fungovanie prírodného výberu. Nepochybne bol tento posledný výpočet tvrdou ranou pre teóriu navrhnutú v dokumente The Origin of Species. Vo všetkých ďalších vydaniach svojej knihy Darwin, ktorý zomrel v roku 1882, vypustil problémový odsek starý 300 miliónov rokov.
Kelvinov vedecký prístup získal nové a rozhodujúce potvrdenie v roku 1899, keď írsky fyzik John Joly (1857 - 1933) vyvinul robustnú a jednoduchú metódu odhadu veku Zeme. Vydelil celkový obsah solí v oceánoch rýchlosťou transportu soli v mori riekami. Joly odhadoval, že oceánom trvalo 80 až 90 miliónov rokov, kým nahromadili svoju soľ.
Keď dve úplne odlišné metódy (Kelvin a Joy) vyprodukujú podobný vek Zeme, dá sa povedať, že „hovorila veda“ a že (veľa) nie je možné pochybovať. Ibaže vedecké pravdy nie sú absolútne - lekcia, ktorej sa treba naučiť/pochopiť v celej jej filozofickej dôležitosti a hĺbke.
R.T. Chamberlin, patriarcha americkej geológie, zaútočil v roku 1899 na Kelvinov predpoklad, že Zem je uzavretý systém, ktorého počiatočné horúčavy postupne klesali. Naznačil, že vnútorná štruktúra atómov, v tom čase neznámych, môže obsahovať značné množstvo energie. [3]
Chamberlinova intuícia sa ukázala ako pravdivá. Objav prírodnej rádioaktivity a nová atómová fyzika nepochybne naznačili, že niektoré horniny (žuly, granodiority, diabázy, íly atď.) Obsahujú značné množstvo minerálov (najmä urán, tórium a draslík), ktoré sa spontánnym rozpadom uvoľňujú takzvané rádioaktívne teplo. Toto teplo môže mať niekedy významné hodnoty. Napríklad sme zistili, že horniny v základnom štáte Oklahoma produkujú v priemere 2,5 mW/m ^ 3. Svetové priemerné hodnoty výroby rádioaktívneho tepla sa pohybujú v rozmedzí 1,9 - 2,4 mW/m ^ 3.
Okrem existencie rádioaktívneho tepla ďalšia kritika vážne znížila hodnotu Kelvinovho modelu pre výpočet veku Zeme. Lord Kelvin predpokladal, že šírenie tepla z jadra na povrch prebieha iba vedením (prenos tepla cez pevné skaly). Geofyzici však naznačili aj prítomnosť konvekčného javu, keď sa teplo šíri tekutinami, ako je astenosféra v spodnej časti zemskej kôry alebo horný plášť. Okrem toho sa dnes konvekčné šírenie tepla považuje za hlavný mechanizmus prenosu tepla vo vnútri Zeme.
Lord Kelvin spočiatku odmietal myšlienku, že rádioaktivita môže vydávať značné množstvo tepla, ale v roku 1904 verejne opustil svoj model výpočtu veku Zeme, ktorý vytvoril Darwinove nočné mory.
Rádioaktívne datovanie odhadlo absolútny vek Zeme (4,5 miliardy rokov) a jeho porovnanie s inými horninami, ktoré boli vyťažené na Mesiaci alebo ktoré priniesli meteority. Pri takom časovom intervale mal prírodný výber, ktorý Darwin navrhol ako evolučný mechanizmus, dostatok času na to, aby vytvoril variácie v životných formách.
Aj keď bol jeho model znehodnotený novými objavmi, Lord Kelvin ponúkol svojim súčasníkom a budúcim generáciám geológov, geofyzikov, biológov atď. Pozoruhodnú lekciu z vedeckej profesionality.
BIBLIOGRAFIA
Aja, S. U. a C. Cranganu, 2013, Exploring the Earth System, Kendall Hunt Publishing Co.
[1] Príklad Kelvinovho modelu nájdete v mojej dizertačnej práci Heat Flow in Oklahoma, ktorá bola vyvinutá v roku 1997. Použil som viac ako 120 meraní geotermálneho gradientu v celom štáte Oklahoma a zmeral som ich pomocou niekoľkých študentov, viac ako 1 500 tepelných vodivosti hornín z rôznych vrtov a rôznych hĺbok. Nakoniec sme vyrobili prvý Oklahoma prvý tepelný tok a rádioaktívne tepelné mapy.
V roku 2012 bola moja dizertačná práca, doplnená o ďalšie príspevky, publikovaná v knihe Heat Flow v Oklahome a na juhu strednej USA: Komplexná štúdia toku tepla a výroby tepla.
[2] Sir William Thompson, Lord Kelvin, 1900, The Age of the Sun’s Heat, in Essays in Astronomy, ed. Edward Singleton Holden, D. Aplleton and Co., New York, s. 49.
[3] Dalrymple, G. B., 2004, Ancient Earth, ancient skys: The Age of the Earth and its cosmic environment, Stanford University Press, Stanford University Press, California, s. 36.