Глобальное похолодание

Глобальное похолодание

В 1897 году в альманахе «Vanity Fair Album» был опубликован панегирик лорду Кельвину[98], в котором, в частности, говорилось:

«Его отец был профессором математики в Глазго. Сам он родился в Белфасте 72 года назад и получил образование в университете Глазго и в колледже Св. Петра в Кембридже; заняв почетное второе место[99] на экзамене по математике в этом колледже и завоевав премию Смита, он стал стипендиатом-исследователем. Что нетипично для шотландца, он через некоторое время вернулся в Глазго, стал там профессором физики и с тех пор сделал столько изобретений и, несмотря на математическое образование, сотворил столько добра, что его имя – Уильям Томсон – известно не только во всем цивилизованном мире, но и во всех морях и океанах. Ведь еще в бытность простым дворянином он изобрел морской компас сэра Уильяма Томсона, а также навигационный лот – к сожалению, это изобретение не стяжало широкой известности. Кроме того, он много работал с электричеством на море – как инженер участвовал в прокладке различных трансатлантических кабелей, как изобретатель – сконструировал зеркальный гальванометр, сифон-отметчик и многое другое, не просто познавательное с научной точки зрения, но и полезное. В сущности, у него столько заслуг, что четыре года назад он получил титул барона Кельвина Ларгского, однако титул не испортил его и ничуть не навредил его мудрости… Он знает все, что можно, о тепле, все, что известно, о магнетизме и все, что смог выяснить, об электричестве. Он – великий, добросовестный и смиренный Ученый, много написавший и сделавший еще больше.»

Это вполне точное, пусть и юмористическое, описание многочисленных достижений этого выдающегося человека, которого биографы прозвали «Динамическим викторианцем». В 1892 году Томсон получил дворянский титул барона Кельвина Ларгского в честь реки Кельвин, протекавшей неподалеку от его лаборатории в университете Глазго. В панегирике говорится, что он получил второе место на выпускном экзамене по математике, что было для него большим огорчением. Легенда гласит, что в то утро, когда должны были вывесить результаты экзамена, Уильям Томсон послал своего камердинера узнать, кто занял второе место, и был просто вне себя, когда услышал «Вы, сэр!». Нет никаких сомнений, что Кельвин был одной из самых заметных фигур своего времени, заставшего конец классической физики и зарю современной эпохи. На илл. 9 вы видите портрет лорда Кельвина, сделанный, вероятно, с фотографии 1876 года. А после смерти в 1907 году Кельвин по праву упокоился рядом с Исааком Ньютоном в Вестминстерском аббатстве.

Однако в панегирике не отражен последующий крах репутации Кельвина в научных кругах. К старости Кельвин стал печально знаменит как ретроград от науки. Он упрямо цеплялся за свои старые представления, и много пишут о том, что он не желал признавать открытия, связанные с атомами и радиоактивностью. Но удивительно другое: хотя Максвелл при разработке своей поразительной теории электромагнетизма полагался на практическое применение некоторых законов, открытых Кельвином, Кельвин все равно не соглашался с его идеями и заявлял: «Должен сказать, что единственное, что я в этом понимаю, для меня неприемлемо»[100]. Столь же неожиданные заявления Кельвин при всех своих инженерных талантах делал и в сфере техники и технологии – например, «У меня нет ни мельчайшей крупицы веры в воздухоплавание, кроме как при помощи воздушных шаров». И этот загадочный человек – в молодости блестящий ученый, а в старости утративший связь с реальностью – и попытался полностью дезавуировать представления геологов о возрасте Земли.

28 апреля 1862 года Кельвин, тогда еще Томсон, прочитал в Эдинбургском королевском обществе доклад под названием «Похолодание на Земле, происходящее раз в столетие»[101] («On the Secular Cooling of the Earth»). Этот доклад появился по следам другой статьи, опубликованной в том же году, но немного раньше – «О возрасте солнечного тепла»[102] («On the age of the Sun’s heat»). Томсон в первом же предложении дал понять, что это не просто очередная заметка о технике, которую можно прочитать и забыть. Это полномасштабная атака на предположение геологов о неизменной природе сил, сформировавших Землю.

«Вот уже восемнадцать лет мне не дает покоя мысль, что те геологи, которые бескомпромиссно отметают все гипотезы, связанные с пароксизмами, не принимают в расчет основные принципы термодинамики, и я не просто считаю, что в наши дни прямо перед нашими глазами имеются примеры воздействия самых разных сил, которые модифицируют ее кору на протяжении геологической истории: я полагаю, что в прошлом эти силы действовали отнюдь не так жестоко и никогда не были так мощны, как в настоящем[103].»

Конечно, выражение «мне не дает покоя мысль» несколько выспренно и театрально, однако, несомненно, правда, что первые статьи Кельвина о теплопроводности и распределении тепла в пределах земного шара[104] были написаны еще в 1844 и 1846 годах, когда он был еще студентом двадцати – двадцати двух лет. Томсону не было и семнадцати, когда он заметил ошибку в статье о теплопроводности, написанной одним эдинбургским профессором.

Идея Кельвина была проста. Измерения в шахтах и скважинах показали, что тепло распространяется из земных глубин к поверхности, а это заставляет предположить, что Земля первоначально была горячей планетой и теперь остывает. Следовательно, рассуждал Кельвин, в отсутствие внешних либо внутренних источников энергии, которые могли бы компенсировать потери тепла, а существование таких источников не доказано, ни стабильное состояние, ни повторение идентичных геологических циклов невозможно. На самом деле и Чарльз Лайель понимал, что здесь налицо сложность, и в своих «Началах геологии» предположил механизм самоподдержания, который, по его предположению, обеспечивал циклический обмен химической, электрической и тепловой энергией с недрами Земли. В целом Лайель представлял себе сценарий, при котором химические реакции вырабатывают тепло, тепло вызывает электрические токи, а они заставляют химические соединения распадаться на первоначальные составляющие, что снова запускает процесс. Кельвин с трудом скрывал презрение. Он недвусмысленно доказал, что подобный процесс сводится к своего рода вечному двигателю, что противоречит принципу рассеяния (и сохранения) энергии, когда механическая энергия необратимо преобразуется в тепло, как, например, при трении. Так что механизм Лайеля нарушал основные законы термодинамики. Для Кельвина это было последним доводом за то, что геологи совершенно не знают основных законов физики, и он язвительно заметил:

«Если вслед за Лайелем, приняв, как он, химическую гипотезу, предположить, что вещества, уже соединившиеся друг с другом, можно снова разложить при помощи электролиза, посредством термоэлектрических токов, которые возникают благодаря теплу, высвободившемуся при образовании этих соединений, и таким образом химическая реакция и выделяемое ею тепло образуют бесконечный цикл, это нарушает законы физики точно так же и в такой же степени, как если бы мы сочли, будто часы, сконструированные с автоматическим заводом, способны оправдать ожидания своего талантливого изобретателя и идти вечно[105].»

В сущности, Кельвин вычислил возраст Земли напрямую и без особых изысков: поскольку Земля остывает, объяснил он, можно опереться на законы термодинамики и подсчитать конечный геологический возраст Земли, то есть время, которое понадобилось Земле, чтобы достичь нынешнего состояния, от момента образования твердой поверхности. Сама по себе эта мысль была не нова: французский физик Жозеф Фурье[106] уже в начале XIX века создал математическую теорию теплопроводности и процесса остывания Земли. Кельвин понял, что эта теория весьма многообещающа, и в 1849 году вместе с физиком Джеймсом Дэвидом Форбсом участвовал в серии измерений подземных температур, а в 1855 году стал инициатором полномасштабного геотермического исследования именно с целью вычислить возраст Земли.

Кельвин предположил, что механизм передачи тепла из земных недр к поверхности – это та же теплопроводность, которая передает тепло от сковороды, стоящей на открытом огне, к ее ручке. Тем не менее, чтобы применить теорию Фурье об остывании Земли, Кельвину нужно было знать три физические величины: изначальную внутреннюю температуру Земли, скорость изменения температуры с увеличением глубины и значение теплопроводности каменистой земной коры, то есть с какой скоростью тепло может передаваться из недр к поверхности.

Кельвин считал, что две из этих величин он может вычислить вполне надежно[107]. Геологические измерения, проведенные целым рядом исследователей, показали, что хотя в разных местах результаты получались различными, в среднем температура повышается на один градус по Фаренгейту с каждыми 50 футами глубины (эта величина называется градиент температуры). Что касается теплопроводности, здесь Кельвин полагался на собственные измерения двух горных пород и песка, которые дали ему приемлемую среднюю величину. Узнать третью физическую величину – температуру глубинных недр Земли – было крайне трудно, ведь измерить ее непосредственно нельзя. Однако подобные трудности Кельвина никогда не останавливали. Он подключил к работе свой аналитический ум и в конце концов смог приблизительно оценить неизвестную температуру. Для этого ему пришлось прибегнуть к интеллектуальному маневру, который одновременно показывает Кельвина как с лучшей, так и с худшей стороны. Конечно, Кельвин виртуозно владел научным аппаратом физики и умел рассматривать все варианты при помощи острых, как бритва, логических рассуждений, и в этом ему не было равных. Однако, как мы увидим в следующей главе, он был слишком уверен в себе, и поэтому иногда непредвиденные варианты заставали его врасплох и совершенно выбивали почву из-под ног.

Наступление на проблему внутренней температуры Земли Кельвин начал с анализа различных моделей остывания Земли. Исходил он из общего предположения, что первоначально Земля находилась в расплавленном состоянии, что было результатом выделения тепла после какого-то столкновения – либо с большим количеством мелких тел вроде метеоритов, либо с одним телом с массой, примерно равной массе Земли. Дальнейшая эволюция этого расплавленного шара зависела от качества каменных пород, которое было достоверно не известно: расширяется ли расплавленный камень после застывания, как происходит с замерзающей водой, или сжимается, подобно металлам? В первом случае можно было ожидать, что твердая кора будет плавать на поверхности жидких недр, как лед на поверхности озер зимой. Во втором – плотные камни, формирующиеся близ остывающей поверхности Земли, тонули бы и в результате, вероятно, составили бы твердую структуру наподобие каркаса, которая поддерживала бы кору на поверхности. Эмпирических свидетельств было недостаточно, однако опыты с расплавлением гранита, сланца и трахита указывали на то, что расплавленный камень сокращается в объеме и при остывании, и при отвердевании. Опираясь на эти сведения, Кельвин набросал новый сценарий. Он предположил, что до того, как породы окончательно отвердели, более холодная жидкость с поверхности опускалась к центру, и таким образом создавались конвекционные течения наподобие тех, что наблюдаются в масле на сковороде. Согласно этой модели, конвекция должна была обеспечить повсюду примерно одинаковую температуру. Следовательно, заключил Кельвин, температура повсюду была примерно равна температуре плавления каменных пород, и именно эту величину он принял за внутреннюю температуру Земли в предположении, что с тех пор ядро не слишком сильно остыло. Такая модель предполагала, что Земля практически гомогенна по физическим качествам. Однако, к сожалению, даже такая изобретательная схема не решила задачи, поскольку во времена Кельвина температура плавления горных пород была неизвестна. Поэтому ему пришлось довольствоваться оценкой – и он получил диапазон от 7000 до 10 000 градусов по Фаренгейту.

Кельвин свел все эти данные воедино и вычислил возраст земной коры – 98 миллионов лет. Оценив неопределенности исходных предположений и доступных в то время данных, Кельвин пришел к убеждению, что с некоторой достоверностью возраст Земли можно оценить в 20–400 миллионов лет[108].

Несмотря на все грубые допущения, это были подлинно блестящие выкладки. Кто бы мог подумать, что человеку под силу подсчитать возраст Земли? Кельвин взялся за задачу, которую на первый взгляд невозможно было решить, и справился с ней. Он опирался на фундаментальные научные принципы и при формулировке проблемы, и при выработке своего метода вычислений, к тому же он пользовался лучшими количественными данными, доступными в его время, причем многие измерения проделал сам. По сравнению с его дотошностью, оценки геологов показались не более чем грубыми догадками и досужими домыслами, основанными на плохо изученных на тот момент процессах вроде эрозии и седиментации.

Число, которое получилось у Кельвина – около 100 миллионов лет – полностью соответствовало и оценке возраста Солнца, которую он сделал еще раньше. Это очень важное обстоятельство, поскольку даже некоторые современники Кельвина понимали, что уверенность Кельвина в своей оценке возраста Земли по крайней мере отчасти опирается на соответствии возраста Земли возрасту Солнца. Главный тезис статьи «О возрасте солнечного тепла» и нескольких более поздних статей на ту же тему не слишком отличался от основного тезиса Кельвина при анализе возраста Земли. Ключевое предположение гласило, что единственным источником энергии, которым располагает Солнце, служит механическая энергия гравитации. Считалось, что эту энергию Солнце получало либо из падения метеоритов (так Кельвин полагал поначалу, но затем отказался от этой мысли), либо, как Кельвин предположил позднее и настойчиво повторил в 1887 году, из того, что Солнце непрерывно сжимается и распыляет гравитационную энергию в виде тепла. Однако поскольку, очевидно, такой источник энергии не неисчерпаем и в результате излучения Солнце теряет все больше энергии, Кельвин справедливо заключил, что Солнце не может вечно оставаться неизменным. Чтобы вычислить его точный возраст, он позаимствовал различные элементы из теорий образования солнечной системы, которые выдвигали немецкий философ Иммануил Кант и французский физик Пьер Лаплас. Затем он дополнил их важными соображениями о возможном сжатии Солнца из работ своего современника немецкого физика Германа фон Гельмгольца. Составив из всех этих данных одну непротиворечивую картину, Кельвин смог примерно оценить возраст Солнца. В последнем абзаце статьи Кельвин признает, что при этой оценке было много погрешностей и неопределенностей.

«Поэтому в целом представляется весьма вероятным, что Солнце освещало Землю не сто миллионов лет и почти наверняка – не пять миллионов. Что касается будущего, можно с той же определенностью сказать, что обитатели Земли не смогут наслаждаться светом и теплом, необходимыми для жизни, еще много миллионов лет, если в великой сокровищнице творения для нас не приготовлены запасы, о которых мы еще не подозреваем[109].»

Как я покажу в следующей главе и подробно объясню в главе 8, последняя фраза оказалась подлинно пророческой.

То, что возраст Земли, который вычислил Кельвин, соответствовал возрасту Солнца – при том что основания для оценок брались из разных независимых областей – придало аргументации Кельвина весомости, поскольку были все причины полагать, что солнечная система в целом сформировалась примерно в одно время.

И все же многих британских геологов убедить не удалось. Возникает подозрение, что некоторым из них было удобнее все объяснять не физическими законами, а, по циничному замечанию американского геолога Томаса Чамберлина, сделанному в 1899 году, «строительством замков из песка на берегах времени». Лучшим примером подобного скептического отношения к изысканиям Кельвина служит интереснейший обмен мнениями между Кельвином и шотландским геологом Эндрю Рэмси. Поводом послужила лекция геолога Арчибальда Гейки о геологической истории Шотландии. Впоследствии Кельвин пересказал разговор с Рэмси, состоявшийся сразу после лекции[110], отметив, что каждое слово «запечатлелось в его памяти».

«Я спросил Рэмси, сколько времени, по его мнению, заняла эта история. Он ответил, что не может представить себе никаких границ. Я спросил: «Не думаете же вы, что история насчитывает 1 000 000 000 лет?» – «Почему же, думаю!» – «А 10 000 000 000 лет?» – «Да!» – «Солнце – тело конечного объема. Можно сказать, сколько в нем тонн. Неужели вы думаете, что оно светит уже миллион миллионов лет?» – «Я не в силах ни оценить эту величину, ни понять доводы, которыми вы, физики, обосновываете свои попытки ограничить геологическое время, точно так же как вы не в силах понять геологические причины наших неограниченных геологических оценок». Я ответил: “Доводы физики понять очень легко, если только дать себе труд подумать над ними”».

Кельвин был совершенно прав. Оставим в стороне вопрос о том, насколько справедливы были его физические допущения и насколько точны подробности его вычислений. Главный довод Кельвина, разумеется, можно было понять без особого труда. Поскольку и Солнце, и Земля теряют энергию, а никаких ресурсов, которые восполнили бы эти потери, не известно, значит, геологические процессы на Земле в прошлом шли активнее, чем в настоящем. Более жаркое Солнце вызывало больше испарений, а следовательно, темпы эрозии из-за осаждения были выше. В то же время Земля была горячее, чем теперь, а значит, вулканическая активность была сильнее. Следовательно, заключал Кельвин, главное предположение актуалистов, согласно которому Земля находится в квазистатическом состоянии в течение практически неопределенного времени, совершенно бездоказательно.

Неудивительно, что в 1868 году, когда Кельвин выступил с сообщением[111] в Геологическом обществе Глазго, мишенью своей едкой критики он сделал первый же текст, где читателей знакомили с принципом актуализма (сформулировал который Джеймс Геттон). Это была книга шотландского ученого Джона Плейфэра «Иллюстрации к Геттоновой теории Земли» (John Playfair. Illustrations of the Huttonian Theory of the Earth). Кельвин процитировал следующий потрясающий пассаж из этой книги, который для него выражал суть догматических представлений его современников-геологов.

«Сколько раз постигали Землю эти коловращения распада и обновления, определять не нам, они составляют цикл, ни конца, ни начала которого мы, как отметил автор теории [Джеймс Геттон], не наблюдаем, – и это обстоятельство полностью соответствуют всему, что известно нам относительно иных областей мироустройства… в движении планет, где геометрия увлекает взгляд и в прошлое, и в будущее, мы не видим никаких признаков ни зарождения, ни завершения нынешнего порядка. И в самом деле, нет никаких причин предполагать, что такие признаки вообще существуют (выделено мной. – М. Л.). Великий Автор природы не даровал Вселенной никаких законов, которые, подобно людским установлениям, заключают в себе зачатки саморазрушения. Он не допускал в трудах Своих никаких симптомов младенчества или старости, никаких признаков, по которым можно оценить, сколько они еще проживут или сколько уже прожили. Он может положить всему конец, ибо Он, несомненно, положил и начало нынешней системе в какое-то определенное время, однако мы можем с уверенностью утверждать, что никакой из ныне действующих Его законов не повлечет за собою великую катастрофу, и что, насколько мы можем наблюдать, ничто ее не предвещает.»

Вердикт Кельвина был беспощаден: «Ничего более далекого от истины и представить себе нельзя». Далее он попытался объяснить свою точку зрения простыми словами, для непосвященных.

«Земля, где бы мы ни пробурили в ней скважину, теплая, и если бы нам удалось проделать измерения на очень большой глубине, мы бы, несомненно, обнаружили, что там очень тепло. Представьте себе, что перед вами шар из песчаника, вы бурите в нем отверстие и обнаруживаете, что внутри он теплый, бурите отверстие в другом месте – и там он тоже теплый – и так далее; будет ли разумным предположить, что шар из песчаника пребывал в том же состоянии уже тысячу дней? «Нет, – скажете вы, – этот песчаник нагрели на огне и поставили остывать несколько часов назад». Столь же разумно было бы взять бутыль с горячей водой вроде тех, какие применяют в экипажах, и сказать, что бутыль была такой всегда – а ведь именно так Плейфэр утверждает, будто Земля была такой, как сейчас, вечно и на ней не видно никаких следов начала и никакого продвижения к концу[112].»

Чтобы еще сильнее утвердить свою аргументацию, Кельвин решил полагаться не только на старую систему доводов касательно Земли и Солнца, но придумал еще и третью линию доказательств, основанную на вращении Земли вокруг своей оси. Эта концепция была весьма остроумной и понятной. Первоначально Земля была жидкой и из-за вращения должна была приобрести несколько приплюснутую форму, плоскую у полюсов и выпирающую у экватора. Чем быстрее было первоначальное вращение, тем менее сферичной была получившаяся в результате форма. Эта форма, рассуждал Кельвин, должна была остаться прежней и после затвердения Земли. Поэтому для определения первоначальной скорости вращения нужно было точно измерить, насколько форма Земли отличается от сферы. Поскольку приливы, вызванные притяжением Луны, должны были играть роль трения и замедлять вращение[113], можно оценить, сколько времени потребовалось, чтобы замедлить первоначальное вращение и довести скорость до нынешней – один оборот за 24 часа.

Идея просто чудесная, однако превратить ее в точное число – возраст Земли – было очень трудно. Сам Кельвин признавался: «С нашими несовершенными данными, скажем, о приливах, невозможно вычислить, какое в точности воздействие они оказывают на замедление вращения Земли»[114]. Тем не менее Кельвин думал, что даже того обстоятельства, что в принципе можно оценить границы возраста Земли – пусть и крайне приблизительно, – достаточно, чтобы развенчать идею геологов-актуалистов о непостижимо длительном времени. О своей собственной численной оценке уменьшения периода вращения Земли – на 22 секунды в столетие – он писал: «Составляет ли потеря времени у Земли 22 секунды в сто лет или значительно больше либо меньше 22 секунд, в сущности, неважно. Но никакого актуализма быть не может. На Земле довольно свидетельств, что она существовала в нынешнем состоянии отнюдь не всегда и что события движутся в направлении состояния, которое бесконечно отличается от нынешнего».

Однако, к вящему огорчению Кельвина, оценка, основанная на скорости вращения Земли, продержалась не очень долго – по крайней мере с количественной точки зрения. Судьба распорядилась так, что не кто иной как Джордж Говард Дарвин, пятый ребенок Чарльза Дарвина, доказал, что вращение Земли не имеет отношения к ее возрасту. Джордж Дарвин был физик[115] и обладал солидными познаниями в математике. Он подошел к проблеме вращения Земли с безграничным запасом терпения и вниманием к мелочам. И опубликовал несколько статей, в основном в 1877–1879 годах, где показал, что вопреки ожиданиям Кельвина Земля будет продолжать постепенно менять форму даже при замедлении скорости вращения. Это следовало из того факта, что твердеющая Земля все же не была бесконечно твердой[116]. Итог был однозначным. Дарвин показал, что поскольку знания о внутреннем строении Земли крайне неопределенны, рассчитать возраст Земли по ее вращению не представляется возможным.

Нет нужды говорить, что Чарльз Дарвин был счастлив[117], когда обнаружил, что его сын заставил «пошатнуться» великого Кельвина, и воскликнул: «Ура потрохам земным, их вязкости, луне и светилам небесным и моему сыну Джорджу!»

Однако статьи Джорджа Дарвина отнюдь не опровергли главного утверждения Кельвина, а лишь показали, что третья линия доказательств Кельвина, основанная на вращении Земли, не подтверждает численное значение его оценки возраста Земли. Но эти статьи пролили новый свет на истину и в другом смысле. Они показали, что даже августейший лорд Кельвин не безупречен. Как мы увидим в следующей главе, это, возможно, открыло дорогу дальнейшей критике.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.