THEORIES OF THE EARTH AND UNIVERSE
A History of Dogma in the Earth Science
S. WARREN CAREY

У. Кэри
В ПОИСКАХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ РАЗВИТИЯ ЗЕМЛИ И ВСЕЛЕННОЙ
История догм в науках о Земле


6
Возраст Земли

Основываясь на своих наблюдениях за скоростью роста дельты Нила в результате ежегодных наводнений, Геродот сделал вывод, что Земля существует уже очень долго. До Аристотеля Землю считали вечной и неизменной, но во времена мрачного средневековья христианская догма ограничила продолжительность ее ранней истории описанием Моисея.

Джеймс Ашер (1581—1656), архиепископ североирландского графства Арма, долгое время служил объектом насмешек за то, что утверждал, будто Земля была сотворена 26 октября 4004г. до н.э. в 9ч. утра. На самом деле это утверждение было кульминацией в длинной серии подобных подсчетов, которые были сделаны на протяжении предыдущего столетия и восходили к священным хронологиям Юлия Африканского и Эвсебия Пампилия из Цезареи (260—340 гг. н.э.), вычисливших дату Творения как 2016г. до н.э. Следует помнить, что в средневековой Европе, и особенно в Англии, библейские тексты принимали на веру совершенно буквально и возраст Земли оценивали, систематически изучая последовательность событий, которые, как сообщалось в Библии, произошли со времени творения. В IX в. раввинат подсчитал, что Земля была сотворена в 3760г. до н.э., и с того времени этот год был принят как первый от Сотворения мира. Следовательно, в иудейском календаре 1986 год от Рождества Христова — это 5746 год от Сотворения мира (Anno Mundi — от года сотворения мира).

В «Куперовой хронике», датируемой 1560г., приводится несколько тщательных расчетов, сделанных разными авторами. Например, один из них определил, что от сотворения мира до Потопа прошло 1656 лет, от Потопа до Авраама — 292 года, затем до исхода евреев из Египта — 503, до возведения Храма — 432, до вавилонского плена — 414 и до Рождества Христова — 614 лет, отнеся таким образом первый акт Творения к 3911г. до н.э. Другой автор увеличил оценку более ранней части: от Сотворения мира до Потопа — 2242 года, от Потопа до Авраама — 942, до царя Давида — 941, до Вавилона — 485, до рождения Христа — 589 лет, датируя тем самым акт Творения 5191г. до н.э. В той же самой хронике упоминаются еще четыре оценки времени, прошедшего от Сотворения мира до рождения Христа: иудеи считали, что прошел 3951 год, Вирандула — 3491, Эвсебин — 5177 лет, Августин — 7331 год; в Альфонсовых таблицах приводится число 6952 года. Среднее арифметическое из этих семи оценок дает 5143 года. Было общепризнанным, что весь интервал времени существования Земли и человека от Сотворения мира до армагеддона (битвы во время Страшного суда.— Перев.) равен шести тысячелетним «дням», четыре из которых истекли до рождения Христа, так что до прихода Страшного суда осталось лишь несколько сотен лет.

Вывод Ашера был результатом длительного изучения первоисточников на языках оригиналов, в том числе генеалогий, систем календарей и затмений, на которых могли основываться точные подсчеты времени и даты. Архиепископ, авторитет в области классических и нескольких семитских языков, он собрал замечательную библиотеку относящихся к этим вопросам рукописей. Любой, кто, как и он, абсолютно верил написанному слову, мог только восхищаться его эрудицией. Поэтому его оценка возраста Земли пользовалась доверием в широких кругах и оставалась признанной еще долгое время после смерти Ашера.

Подъем униформизма, подразумевавшего интервалы времени до сотен миллионов лет, встретил резкое сопротивление церкви. Геттон, Плейфер, Лайель и Дарвин все больше и больше раздвигали рамки «банка времени». Геттон не смог найти «никаких признаков начала и никакой перспективы конца»; казалось, что ни о какой нехватке бесконечного времени не свидетельствовали горные породы. Затем двери банка времени захлопнулись. Лорд Кельвин, выдающийся физик своего поколения, вооруженный формулами этой «точной» науки, объявил, что возраст Земли не может превышать 20 млн. лет.

Лорд Кельвин

Уильям Томсон (1824—1907), впоследствии лорд Кельвин, рано сформировавшийся ученый, был назначен профессором физики в своем родном Глазго в возрасте 22 лет. Он был уже широко известен своими теоретическими и практическими достижениями в передаче электричества и телеграфии и тем, что сформулировал законы термодинамики, когда в 1862г. занялся геологией. Он ограничил возраст Земли, исходя из трех независимых групп данных, касающихся: 1) источника солнечного тепла, 2) истории остывания Земли и 3) приливного трения в теле Земли.

Кельвин предполагал, что первичный источник энергии во Вселенной был только гравитационным. Солнце излучало энергию с чудовищной интенсивностью, и не было никакого возможного источника пополнения этой энергии; следовательно, жизнь Солнца в прошлом и будущем должна иметь границы. Рассмотрев все относящиеся к делу данные, он нашел неправдоподобным, чтобы Солнце освещало Землю 100 млн. лет, и почти наверняка оно не светило 500 млн. лет (возраст, вычисленный Дарвином по изучению скорости денудации в юго-восточной Англии). По словам Кельвина, Солнце обеспечивает энергией все процессы эрозии и денудации. Так как же может существовать униформизм, когда излучение Солнца со временем убывает? Хороший вопрос. Но в этом утверждении Кельвин исходил из двух аксиом: что гравитационный потенциал — единственный источник энергии внутри Солнца и что вещество и энергия неизменны с самого «начала».

Независимо от Кельвина его немецкий современник барон Герман Людвиг Фердинанд фон Гельмгольц (1821—1894) показал, что если бы Солнце целиком состояло из раскаленного угля, оно должно было бы сгореть за 1500 лет, но если его тепло вырабатывается в результате сжатия под действием гравитации, то это может продолжаться в тысячу раз дольше, но все же только 1,5 млн. лет. В лекции, прочитанной в 1871г., он поддержал Кельвина, заявив, что гравитационная энергия уплотнения вещества могла обеспечивать солнечное излучение в течение 22 млн. лет и на нее можно рассчитывать еще многие миллионы лет в будущем.

Второй физический подход Кельвина был связан со скоростью остывания Земли, что уже рассматривали ранее Декарт, Лейбниц (1646—1716) и Бюффон (1707—1788). Бюффон оценил возраст Земли в 75 000 лет. Кельвин собрал данные из шахт по температурным градиентам в недрах Земли; в среднем температура увеличивалась на 1°F на каждые 100 футов глубины. Это в сочетании с удельной теплопроводностью горных пород дало ему скорость выделения тепла из земных недр. Поскольку сильно нагретые тела сначала теряют тепло с очень большой скоростью, которая со временем экспоненциально уменьшается, то даже если бы Кельвин допустил самую высокую возможную первоначальную температуру Земли, он смог бы вычислить, как долго она остывала, чтобы достичь современного теплового потока. Если из его данных взять экстремальные значения, то нижний и верхний пределы окажутся равными 20 и 400 млн. лет.

Третье свое ограничение возраста Земли Кельвин объяснил на собрании Геологического общества Глазго в 1868г. Подсчитав величину замедления вращения Земли за счет приливного трения, он пришел к выводу, что Земля затвердела не более чем 100 млн. лет назад. Это замедление скорости вращения означает, что сутки становятся продолжительнее. Предполагая, что скорость вращения Земли была абсолютно постоянной, можно точно рассчитать меридиан, на котором должны были наблюдаться затмения в древние времена. Но данные античных авторов свидетельствовали о том, что те места, где наблюдались затмения, были расположены западнее. По расхождению меридианов и узнали точную величину запаздывания.

Большинство геологов теряли присутствие духа перед горячностью физика и пытались подогнать свою теорию под авторитет Кельвина. Забавно то, что когда ученый знает ответ, веря, что он правильный, то ему кажется, что этот ответ является результатом, вытекающим из фактов. Например, Леонард Эйлер в 1765г. вычислил, что период свободных колебаний оси вращения Земли, если она испытала возмущение, должен быть равен 305 суткам, и это оставалось геофизической догмой в течение 130 лет. Когда С.К.Чандлер, бухгалтер и астроном-любитель из Бостона, в 1892г. обнаружил колебания полюса Земли с периодом 14 месяцев, над ним сначала стали смеяться: ведь в конце концов он был всего лишь любителем, а многим известным профессионалам не удавалось выделить эти колебания. Когда же результат Чандлера был безусловно признан, Саймон Ньюком, астроном Военно-Морского флота США, ввел поправки в прежние расчеты Эйлера и нашел, что истинный период свободного качания полюса действительно равен 14 месяцам!

Попытки примирения с помощью софизмов

Итак, когда Кельвин буквально вколотил в геологов веру в то, что возраст Земли насчитывает от 20 до 400 млн. лет, и вероятнее всего около 100 млн. лет, целый ряд геологов пересмотрели свои данные и обнаружили, что возраст Земли, конечно же, равен 100 млн. лет. Первым из них, кто не попал в цель, был Джон Филлипс, профессор геологии из Оксфорда, который сопоставил суммарную мощность слоев со средней скоростью осадконакопления и получил возраст Земли, равный 96 млн. лет. Позднее еще несколько ученых пытались применить этот метод и получили разные результаты, но субъективность исходных предпосылок делала его совершенно бесполезным.

Джеймс Кролл (1821—1890), сотрудник Шотландской геологической службы, позднее отличившийся в изучении ледниковой эпохи, определил свой устойчивый нейтралитет (верная позиция для истинного ученого!), критикуя как Кельвина, так и униформистов. Геологические периоды явно были чрезвычайно продолжительными, но и количественную оценку их длительности геологи, похоже, сильно преувеличивали. Кролл думал, что нижний предел, предложенный Кельвином, может быть верен, но согласился с тем, что наиболее приемлема величина 100 млн. лет.

Следующим был Арчибальд Гейки, в то время директор Шотландской геологической службы и друг Кельвина. В обращении к Геологическому обществу Шотландии в 1871г. он совершенно субъективно отметил, что скорости денудации в настоящее время в среднем значительно меньше, чем были в прошлом, и, следовательно, установленный Кельвином возраст 100 млн. лет соответствует геологическим данным. (Через 20 лет Гейки вынужден был отступить от предложенных Кельвином ограничений.)

Т.М.Рид, следуя общепринятой тогда в Англии догме, согласно которой континенты и океаны попеременно испытывали опускания и поднятия и занимали примерно одинаковую площадь, подсчитал, что для накопления земной коры мощностью 10 миль требуется 625 млн. лет. Когда экспедиция «Челленджера» обнаружила, что большая часть дна океана покрыта океаническими планктонными илами, а не терригенными (снесенными с суши) осадками, как он предполагал, Рид пересмотрел свою оценку с учетом этого и других изменений и сделал вывод, что с начала кембрийского периода прошло 95 млн. лет. Исходные данные были так податливы, что какой бы результат он не искал, он должен был найти именно его!

В 1893г. Кларенс Кинг, первый директор Геологической службы США, также внес в эти списки свой вклад: возраст 24 млн. лет — время, как он считал, необходимое для того, чтобы первичная Земля остыла от температуры 2000°С.

Сэмюел Хоутон, профессор геологии Тринити-Колледжа в Дублине, опубликовал свое «Руководство по геологии» в 1865г., вскоре после того, как началось пагубное влияние Кельвина, но он был не в состоянии учесть его. Основываясь на совершенно софистских рассуждениях, он оценил возраст Земли в 2,3 млрд, лет в полном соответствии с господствовавшей тогда униформистской догмой. Отступая от ограничений Кельвина, он опубликовал в журнале «Nature» в 1878г. статью, в которой рассматривал промежуток времени с того момента, когда температуры у полюсов снизились до 212° по Фаренгейту, что позволило воде конденсироваться, затем до 122°F — температуры коагуляции белка (что позволило зародиться жизни), и наконец до 48°F в конце палеозоя и до точки замерзания в середине третичной* ледниковой эпохи. Далее Хоутон сделал вывод, что до миоцена прошло 153 млн. лет. Магия чисел всегда приносила уважение в науке!

* По-видимому, автор имеет в виду позднекайнозойское оледенение, начавшееся в конце третичного периода. — Прим. Ред.

Проф. Джон Джоли, сменивший Хоутона в его должности в Дублине, оценил в тоннах количество солей натрия, вынесенных в океаны реками земного шара, разделил это число на общее количество солей, содержащихся в океанах в настоящее время, и заключил, что возраст океанов достигает от 90 до 99 млн. лет. Он и другие пытались внести в расчеты много поправок и уточнений, например учесть циклическое осаждение солей (соль возвращалась на сушу в виде морской воды в породах морского происхождения и в виде эвапоритов в соляных пластах), соли, добавляющиеся в океаны в результате подводного вулканизма, и изменение скорости денудации. Однако единственная польза этого метода в том, что он дает ожидаемый вами результат. Исследования последнего времени позволяют предположить, что соленость океанов достигла современного уровня очень давно и что после этого поступление и вынос солей находились приблизительно в равновесии.

Смелость убеждений

Помимо таких софистов многие геологи, хотя и покорялись игу физики, тем не менее не могли избежать уверенности, что геологическое время, вероятно, было гораздо продолжительнее, чем допускал знаменитый физик, и подозревали, что в предпосылках учителя должно быть какое-то скрытое слабое место.

Томас Генри Гексли (1825—1895), убежденный сторонник Дарвина, но не способный разрушить аргументы Кельвина, тем не менее защищал униформизм перед Геологическим обществом Глазго:

«Математику можно сравнить с мельницей, способной к тончайшей работе. Она перемелет ваше вещество как угодно тонко; но тем не менее то, что вы получите, зависит от того, что вы положили. И как самая прекрасная мельница в мире не извлечет пшеничную муку из гороха, так и страницы формул не позволят получить определенный результат из неточных данных».

Два года спустя Лайель выразил надежду, что, вероятно, будет открыт какой-то источник энергии, дотоле не известный. Гейки, сначала поддерживавший Кельвина, заявил Британской ассоциации за прогресс науки в 1892 г.:

«Едва ли я со своей стороны могу сомневаться в том, что должен быть какой-то изъян в аргументах физиков, хотя я и не берусь сказать, где его следует искать. Как мне кажется, сделано какое-то допущение или какое-то условие было упущено, но оно когда-нибудь будет найдено и сделает недействительными эти выводы. И когда его должным образом учтут, будет предусмотрено время, достаточное для любой разумной интерпретации геологических данных».

Проф. Томас Кроудер Чемберлин (1843—1928) из Чикагского университета писал в журнале «Science» в 1899 г.:

«Достаточно ли исчерпывающи наши знания о поведении вещества при таких крайне необычных условиях, какие имеют место внутри Солнца, чтобы быть уверенными, что там нет никаких источников тепла, которые мы еще не распознали? Вопрос о внутреннем строении атомов еще остается открытым. Не является невозможным, что они представляют собой сложные устройства и в них находятся огромные запасы энергии. Определенно ни один осторожный химик не станет утверждать, ни что атомы действительно являются неделимыми, ни что в них не может быть заключена весьма значительная энергия. Вероятно, они не готовы ни утверждать, ни отрицать, что при исключительных условиях, существующих в центре Солнца, не может высвободиться часть этой энергии».

На помощь приходит радиоактивность

Годы 1900, 1924, 1960 и 1985-й были особенными для геологии: каждый из них предвещал зарождение революции. В 1900г. с помощью радиоактивности появилась возможность восстанавливать геологическое время. В 1924г. перевод книги Вегенера о перемещении материков уже был готов потрясти геологию до самого основания. В 1960г. статичная океаническая кора приобрела удивительную активность и в то же время, способность разрастаться. С 1985 г., по мере того как Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства США (НАСА) продолжает свои геодезические измерения, надвигается революция ускоряющегося расширения Земли (см. гл. 12).

Антуан Анри Беккерель (1852—1908), профессор физики в Политехнической школе в Париже, в 1896г. установил, что содержащие уран минералы самопроизвольно испускают проникающее излучение (х-лучи). В 1901г. бывший ученик Кельвина Эрнест (позднее барон) Резерфорд (1871—1937) и Фредерик Содди (1877—1956), оба работавшие тогда в Университете Мак-Гилла в Монреале, открыли, что радиоактивные элементы постоянно испускают альфа-частицы, несущие большие количества энергии, а Пьер Кюри (1856—1906) из Сорбонны в Париже показал, что большая часть этой энергии переходит в тепловую. В 1904г. Резерфорд писал: «Время, в течение которого Земля находится при температуре, способной поддерживать жизнь растений и животных, возможно, намного продолжительнее, чем оценка, сделанная лордом Кельвином по другим данным».

Тем временем американский физик Бертрам Борден Болтвуд (1870—1927) в 1904г. установил ступени радиоактивных рядов распада урана и тория, которые, теряя электроны и альфа-частицы, в конце концов превращаются в свинец, а в 1907г. он предположил, что, измеряя относительное число изотопов урана и свинца в минерале, можно вычислить время, прошедшее с момента его кристаллизации. Таким образом было доказано, что максимальный геологический возраст, по оценке Кельвина, был занижен по крайней мере на порядок величины.

В 1905г. Роберт Джон Стретт (позднее лорд Рэлей, 1842—1919) обнаружил, что количество гелия, накопившегося в минералах в результате распада радиоактивных элементов, присутствующих в обычных породах, было гораздо больше, чем могло накопиться за 100 млн. лет, вычисленных Кельвином. Действительно, если в породах земной коры вплоть до больших глубин происходит радиоактивный распад, то Земля вовсе не является остывающим телом, как полагал Кельвин, а должна разогреваться! Теперь у геологов оказалось достаточно времени, чтобы вместить любые процессы, о которых могли свидетельствовать горные породы, и у Дарвина — одной из главных мишеней, по которым бил Кельвин, — было достаточно времени для эволюции видов путем естественного отбора.

Как Зенон со сферической Землей, Архимед с гелиоцентрической системой, фон Бух с ледниковой эпохой, Агассиц с эволюцией и позднее Джеффрис с дрейфом континентов, многие истинно великие мыслители, сталкиваясь в свои преклонные годы с новым открытием, которое опровергало укоренившуюся догму, отказывались воспринимать его. Так и лорд Кельвин никогда не признал, что геологи были правы. Он твердо придерживался нерасщепляемости атомов и отказывался верить, что гелий и свинец могут получиться из чистого урана — концепции, которая отдавала алхимией.

«Новым идеям, — как однажды заметил великий немецкий ученый и философ Герман Гельмгольц, — требуется тем больше времени, чтобы получить всеобщее признание, чем они более оригинальны». Верховные жрецы науки сегодня, как и всегда, столь же глухи к любому доводу против их аксиом, как любой римский папа по отношению к религии. Их отлучающие от науки эдикты действуют эффективно и не позволяют еретику публиковать свои работы, препятствуют его назначению на должность и продвижению по службе, не допускают к исследовательским фондам и мешают занять высокое общественное положение. Даже если революция происходит, пока опередивший свое время провидец еще жив, на нем все-таки остается какое-то темное клеймо и обряд посвящения в рыцари великого прогресса достается новоиспеченному мудрецу.

Радиоактивные часы

Используя несколько разных явлений радиоактивности (например, накопление гелия, распад урана и тория до свинца, превращение рубидия в стронций, калия — в аргон, углерода-14 в азот и наличие изотопов свинца в руде), каждое из которых играет свою особую роль, быстро научились измерять геологический возраст. Этому особенно помогло руководство Артура Холмса (1890—1965), профессора геологии в Дареме и позднее в Эдинбурге. Я хорошо помню, какое влияние оказала на меня в конце 20-х годов маленькая брошюра Холмса под названием «Возраст Земли» в дешевом издании Бенна, вышедшая в 1913 г.

Уран и торий распадаются, пройдя несколько стадий до стабильных изотопов свинца со скоростями, не зависящими от температуры, давления и физического и химического состояния вещества. «Периоды полураспада» некоторых элементов равны многим миллионам лет, хотя статистическая вероятность распада любого отдельного атома в следующую секунду постоянна. Это похоже на бросание миллиона игральных костей, на одной шестой части которых, как можно ожидать, выпадут шестерки. Если те кости, на которых выпали шестерки, удалить, а остальные бросать на следующий день—-на одной шестой из них должны выпасть шестерки, и эти кости тоже надо удалить. Вероятность того, что на какой-то кости выпадает шестерка в в том самом следующем броске, всегда равна одной шестой, и последние кости в игре надо будет кидать очень большое число раз, а на них так и не выпадут шестерки. Нетрудно подсчитать, сколько дней требуется, чтобы число костей в игре уменьшилось до половины первоначального количества; эта величина и называется периодом полураспада. Число удаляемых костей с каждым днем становится все меньше, и если в какой-то момент число оставшихся костей сравнить с общим количеством выбывших из игры, то можно вычислить количество бросков и, следовательно, продолжительность процесса в днях. Можно использовать любой минерал, содержащий какое-то количество урана. Поскольку период полураспада 238U, самого распространенного в породах изотопа урана, равен 4510 млн. лет, этим методом определяют возраст самых древних пород. Подобным же образом ведет себя торий.

Рубидий представляет собой обычную примесь в полевых шпатах и слюдах, его изотоп 87Rb (составляющий 28% природного элемента) имеет период полураспада 50 млрд, лет и чаще всего используется для определения возраста древнейших пород. Калия в полевых шпатах, фельдшпатоидах и слюдах содержится даже еще больше, и он обычно присутствует также в нескольких других минералах; период полураспада его радиоактивного изотопа 40К равен 1280 млн. лет. Благодаря чрезвычайной чувствительности методов измерения калия и получающегося в результате его распада аргона, разработанных Дж.Ф.Эвернденом и Дж.Б.Далримплом из Беркли и Яном Мак-дугаллом из Австралийского национального университета, калий-аргоновый метод сделал возможной датировку пород от самых древних до самых молодых геологических эпох (с возрастом меньше 1 млн. лет).

Изотоп углерода 14С, который непрерывно образуется в атмосфере в результате бомбардировки азота космическими лучами, имеет период полураспада 5730 лет, и его широко иопользуют для определения возраста древесного угля, раковин и других органических остатков в археологии и более древних свидетельств ледниковой эпохи. Итак, эти четыре метода позволяют датировать вещества любого возраста от возникновения Земли и вплоть до настоящего времени.

Анализ относительных содержаний нескольких изотопов свинца в свинцовой руде и в свинце метеоритов, часть которых представляет собой первичные изотопы, а часть имеет радиогенное происхождение в результате распада урана и тория, дает возможность надежно определять время формирования метеоритов и сделать заключение о возрасте Земли, равном, как выяснилось, 4 млрд. 600 млн. лет. Сравним это с 3,8 млрд, лет — возрастом самых древних пород на континентах, полученным до сих пор.

Шкала геологического времени

Радиоактивность пород быстро сняла с возраста Земли ограничения, наложенные физиками, но поставила в трудное положение многих геологов, которых теперь смущала безграничность времени. Все они пересмотрели свои методы «песочных часов» — примитивные способы оценки скорости денудации, накопления морских осадков, увеличения солености морской воды или скорости биологической эволюции. Многие софисты вернулись к кельвиновским 100 млн. лет, другие отступили от принципа «никаких признаков начала», чтобы сойтись на возрасте около 500 млн. лет. Но Артур Холмс из Дарема заставил мир критически пересмотреть геологическое время, преодолеть расхождение во взглядах и примирить геологические факты с новыми данными о естественной радиоактивности.


Таблица 1. Интервалы геологического времени
(начала периодов и в миллионах лет от настоящего времени) эпох

Эоны
Эры
Периоды
Эпохи
Время
Фанерозойский
Кайнозойская
Четвертичный
Голоценовая
0,01
Плейстоценовая
1,6
Третичный
Плиоценовая
5,3
Миоценовая
23,7
Олигоценовая
36,6
Эоценовая
57,8
Палеоценовая
66,4
Мезозойская
Меловой
144
Юрский
208
Триасовый
245
Палеозойский
Пермский
286
Каменноугольный
360
Девонский
408
Силурийский
438
Ордовикский
505
Кембрийский
570
Протерозойский
2500
Архейский
3400+


В табл. 1, утвержденной в настоящее время Геологическим обществом Америки, приводится возраст в миллионах лет начала геологических эпох, периодов, эр и эонов. Образование Земли оценивается временем примерно 4,6 млрд, лет назад. Приведенные значения возраста могут изменяться по мере получения новых данных, и даже сейчас в разных лабораториях приняты несколько различающиеся шкалы. Эпохи определены в пределах каждого периода и до третичного, но вследствие неопределенностей корреляции между континентами номенклатура в разных регионах различна и внесение их в эту таблицу сделало бы ее слишком сложной для целей данной книги.



  Оглавление