Lord Kelvin, Darwin és a Föld kora A tudományos professzionalizmus tanulsága
A legnagyobb tudósok közül,
alaposan tanulmányozza a geológia bizonyítékait,
arra a következtetésre jutottak, hogy világunk az
rendkívül öreg, és lehet, hogy igaza van.
De Lord Kelvinnek más a véleménye.
Óvatos, konzervatív elképzelése van…
és joggal hiszi,
hogy a világ nem olyan régi, mint mondják.
Mert Lord Kelvin ma a legnagyobb tudományos tekintély,
Azt hiszem, meg kell engednünk és el kell fogadnunk a nézeteit.
Mark Twain, Levelek a földről
Az emberek egyik legkorábbi kihívása a Föld kora volt. Ha Arisztotelész (Kr. E. 384–322) a meteorológiában azt hitte, hogy a világ örökkévaló, akkor a későbbi keresztény és iszlamista tudósok más, a szent vallási könyvekre támaszkodó gondolatokat terjesztettek elő. al-Biruni (kb. 973–1050) a Föld korát kevesebb mint 10 000-re becsülte a Genezisből, James Ussher (1581–1686) püspök pedig rendkívül „pontos” volt: a Földet „23-án éjjel hozták létre. Kr. E. 4004. október ”. Ussher bibliai számításai lenyűgözték a hallgatóságot, amelyet a keresztény vallás erősen befolyásolt, így az általa javasolt dátum standard kronológiává vált.
Az első kísérlet a Föld korának tudományos megítélésére a dán Nicolaus Steno (1638-1686 )é, aki (1669-ben) négy alapelvet vezetett be a relatív geológiai kor meghatározása céljából. Alapvetően Steno döntő csapást adott azokra a korábbi kísérletekre, amelyek a vallási források ókori geológiai tanulmányokra való felhasználására tettek kísérletet: a Föld történetét nem emberi írásokban, hanem földi kőzetekben kell keresni.
1788-ban a skót James Hutton számos természetes folyamatról (a hullámok hatása, a folyóvíz okozta erózió, valamint az üledékek szállítási és lerakódási jelenségei) publikálta egy lenyűgöző művében a Föld elmélete; vagy a földgömbön való összeállításában, feloldásában és helyreállításában megfigyelhető törvények vizsgálata. Az első szakdolgozatként Huttont a modern geológia alapító atyjának tartják.
Hutton értekezését nehéz volt megírni, a használt kifejezések ismeretlenek és nehezen érthetők, ezért az első geológiai könyv visszhangja korlátozott volt. Charles Lyell amatőr jogász és geológus érdeme, hogy Hutton ötleteit és koncepcióit korának olvasói tömegéhez sokkal hozzáférhetőbb nyelven dolgozta fel, 1830-ban megjelentette a Geológia alapelvei című kötet első kiadását. E könyv egy példányát ajándékba adták a fiatal Charles Darwinnak, amikor 1831-ben elindult a Beagle-be.
Az eredetileg Hutton által javasolt és később Lyell által kihasznált uniformitárius geológiai modell (ami most történik, az a múltban történt - a jelen a múlt kulcsa), nem adott pontos becslést a Föld korára vonatkozóan. Steno elveiből kiindulva csak azt mondták, hogy az alábbi rétegek idősebbek, mint a fent tároltak, de hogy hányan voltak vagy nem voltak meghatározva. A határon rendkívül hosszú időnek tekintették.
Charles Darwin teljes mértékben kihasználta ezt a geológiai pontatlanságot evolúciós elméletének kidolgozása során. Ahhoz, hogy a természetes szelekciós mechanizmus rendkívül lassú működésére támaszkodhasson, Darwinnak hatalmas időre volt szüksége a fosszilis bizonyítékok szerves evolúciójának igazolásához.
A szükséges geológiai idő igazolásaként Darwin példát hozott a délkelet-angliai Sussex-ben található Weald-tengeri szikla eróziójára. Feltételezve, hogy évszázadonként egy hüvelyk (2,5 cm) eróziós sebességet feltételez, Darwin azt a javaslatot terjesztette elő, hogy 300 millió év kellett volna a Weald-kőzet által elszenvedett teljes erózió előállításához. Mentora, Charles Lyell egyetértett ezzel az ábrával.
Meg kell jegyezni, hogy a Darwin által feltételezett eróziós ráta (2,5 cm/évszázad) pusztán spekuláció volt, terepi vagy laboratóriumi mérések nélkül. A Hutton-Lyell-féle uniformitarista modell, amely az üledék lerakódását/erózióját nagyon lassú folyamatnak tekintette, lehetővé teheti bármelyik kívánt időszak kiválasztását: például száz, ezer vagy egymillió év. Darwinnak nem volt választása releváns tudományos megfigyelések vagy konkrét laboratóriumi/terepi mérések alapján, ő, mint írtam, csak amatőr geológus. Tehát a fajok eredete a könyv megjelenésekor (1859) létező geológiai modellt és egy tetszőleges geológiai időt - 300 millió év - használta a természetes szelekció működésének lehetővé tételéhez. Bár Darwin csak durva időbeli becslést kívánt adni elképzelése igazolására, állítása sok vitát váltott ki - olyannyira, hogy kénytelen volt teljesen eltávolítani műve későbbi kiadásaiból.
Egy varázslatos alak - 300 millió év - felkeltette a 19. század legnagyobb fizikusa, William Thompson (1824 - 1907) negatív reakcióját, aki később Lord Kelvin lett. A fiatal fizikust érdekelte (és provokálta) a Darwin által előidézett alak, amelyet "abszurdnak" tartott.
1861-ben Lord Kelvin támadni kezdte a Hutton által javasolt (és Darwin által 1859-ben használt) geológiai modell helyiségeit, amely a Föld végtelen korát sugallta. A fő támadás a geológiai folyamatok (pl. Erózió) sebességére összpontosult, amelyek rendkívül bizonytalanok és néha lehetetlenek voltak mérni a terepen. A második támadás Hutton azon feltételezésén alapult, hogy a Föld belsejében zajló kémiai reakciók folyamatosan hőt termelnek, és így a bolygót stabil hőállapotban tartják. Ha a Föld végtelen korú lenne, Hutton szerint egy ilyen állapot egyenértékű lenne egy örök hőtermelő géppel, vagyis a termodinamika első törvényének megsértésével.
Lord Kelvin tudományos alapon, a terepi és laboratóriumi mérések közvetlen támogatásával kívánta meghatározni a Föld abszolút korát. Érvei és számítási modellje geotermikus természetű volt: A Föld az akkrécióval jött létre, amely mechanikus hőt generált, amelyet akkor (XIX. Század) a bolygó egyetlen belső hőforrásának tekintettek. A kialakulás idején a bolygó olvadt állapotban volt (
2000 ° C), majd folyamatosan hűlni kezdett. Bizonyíték: geotermikus gradiens mérések a bányakutakban, amelyek a hőmérséklet folyamatos csökkenését jelezték a mélységtől a felszínig.
A Lord Kelvin által kidolgozott geotermikus modell elegáns matematikai konstrukció volt, amelyet három alapvető pillér rögzített: a Föld magjának kezdeti hőmérséklete (
2000 ° C), a geotermikus gradiens és a kőzetek hővezető képessége. Az utolsó két változót Kelvin maga mérte [1].
1862-ben Lord Kelvin elemzését a Föld világi hűlése című cikkben tette közzé.
Számításai szerint a Föld kora 20 és 400 millió év között lenne, a legvalószínűbb értéke 100 millió év. Itt kell hangsúlyozni, hogy Kelvin becslése nem pusztán amatőr hipotézis vagy spekuláció volt. Pontos matematikai modellen alapult, tiszteletben tartva a termodinamika törvényeit, valamint terepi és laboratóriumi méréseken alapult.
Kelvin cikkének hatása rendkívüli volt: ha a Föld kora csak 100 millió év, ez azt jelenti, hogy az evolúciónak nem volt elegendő ideje megmagyarázni az életformák sokszínűségét, amelyet Darwin jósolt meg. Kelvin földtani és Darwin-féle támadásai következetes és szervezett válasz nélkül történtek a támadók részéről. Abban az időben a geológia nem élvezte a fizika tudományos állapotát. És Kelvin - egy korai zseni, aki 16 éves korában jelentette meg első tudományos dolgozatát, és csak 22 évesen lett a Glasgowi Egyetem híres székének tulajdonosa - óriási szellemi termetnek örvendett. Ezenkívül Kelvin kvantitatív és megismételhető mérésekből nyerte el a Föld korát, a fizika törvényeinek és egy elegáns matematikai modell felhasználásával. Ha ehhez a helyzethez hozzáadjuk a geológiai adatok bizonytalanságával kapcsolatos érveit, könnyen rájövünk, hogy Kelvin megközelítése pusztító volt Darwin és elmélete szempontjából.
Kelvin közvetlenül támadta Darwint, gúnyosan megkérdezve: Tévesek voltak a laboratóriumi méréseim és a matematikai számításaim, vagy valószínűbb, hogy „egy viharos tenger árapályral, esetleg rendkívüli erőszakkal erodálja az 1000 méteres krétakőzetet? vagy gyorsabb, mint Mr. Darwin becslései szerint egy hüvelyk/évszázad? ”[2]
Darwin elborzadt: a fajok eredete megjelenése óta csak három év telt el, és itt nincs a természetes szelekció mechanizmusával kapcsolatos legfőbb érve - hatalmas idő. Azt írta Alfred Russel Wallace-nek, hogy "Thompson véleménye a világ legújabb koráról régóta az egyik legfájdalmasabb problémám". És kérje mentorát, Charles Lyellt: „Miután annyira megégettem az ujjaimat a Wealden-ügyben, félek érted.” De az isten szerelmére, vigyázzon az ujjaira; komolyan elégetni őket, ahogy én tettem, nagyon kellemetlen ".
Kelvin kétszer újraszámolta a Föld korát, különböző kezdeti feltételeket alkalmazva a Föld magjának hőmérsékletére. 1866-ban 100 millióra csökkentette a felső korhatárt. 1897-ben Kelvin becslése szerint a Föld 20 és 40 millió év közötti lenne, ami gyakran kevesebb, mint Darwin által a természetes szelekció működéséhez szükséges idő. Kétségtelen, hogy ez az utolsó számítás súlyos csapást jelentett A fajok eredete című könyvben javasolt elméletre. Darwin, aki 1882-ben hunyt el, könyvének minden további kiadásában 300 millió éves korában törölte a problémás bekezdést.
Kelvin tudományos megközelítése új és meghatározó megerősítést kapott 1899-ben, amikor John Joly ír fizikus (1857 - 1933) robusztus és egyszerű módszert dolgozott ki a Föld korának becslésére. Megosztotta az óceánok összes sótartalmát a folyók sótartalmának a tengerben. Joly becslése szerint 80–90 millió év kellett ahhoz, hogy az óceánok felhalmozzák sójukat.
Amikor két teljesen különböző módszer (Kelvin és Joy) hasonló életkorú Földet eredményez, akkor azt lehet mondani, hogy "a tudomány megszólalt", és nincs (sok) kétség. Kivéve, hogy a tudományos igazságok nem abszolútok - egy lecke, amelyet teljes filozófiai jelentőségében és mélységében kell tanítani/megérteni.
R.T. Chamberlin, az amerikai geológia pátriárkája 1899-ben megtámadta Kelvin feltételezését, miszerint a Föld zárt rendszer, amelynek kezdeti hője fokozatosan csökkent. Azt javasolta, hogy az akkor még ismeretlen atomok belső szerkezete jelentős mennyiségű energiát tartalmazhasson. [3]
Chamberlin megérzése igaznak bizonyult. A természetes radioaktivitás felfedezése és az új atomfizika kétségtelenül jelezte, hogy egyes kőzetek (gránit, granodioritok, diabázok, agyagok stb.) Jelentős mennyiségben tartalmaznak ásványi anyagokat (különösen uránt, tóriumot és káliumot), amelyek spontán bomlás révén felszabadulnak. úgynevezett radioaktív hő. Ennek a hőnek néha jelentős értéke lehet. Például megállapítottuk, hogy az oklahomai állam alapítványának kőzetei átlagosan 2,5 mW/m ^ 3 -ot produkálnak. A radioaktív hőtermelés világszintű átlagértékei 1,9 - 2,4 mW/m ^ 3 tartományban vannak.
A radioaktív hő megléte mellett egy újabb kritika súlyosan csökkentette a Kelvin-modell értékét a Föld korának kiszámításához. Lord Kelvin azt feltételezte, hogy a hő terjedése a magtól a felszínig csak vezetéssel (szilárd kőzeteken keresztül történő hőátadással) történik. De a geofizikusok jelezték a konvekciós jelenség jelenlétét is, amikor a hő folyadékokon keresztül terjed, például a földkéreg alján lévő astenoszférában vagy a felső köpenyben. Sőt, a hő konvekcióval történő terjedését ma a Föld belső hőátadásának fő mechanizmusának tekintik.
Lord Kelvin eleinte elutasította azt az elképzelést, hogy a radioaktivitás jelentős mennyiségű hőt bocsáthatna ki, de 1904-ben nyilvánosan elhagyta a Föld korának kiszámításának modelljét, amely Darwin rémálmait hozta létre.
A radioaktív datálás becsülte a Föld abszolút korát (4,5 milliárd év) és összehasonlítását más, a Holdon betakarított vagy meteoritok által hozott kőzetekkel. Ilyen időintervallum esetén a Darwin által evolúciós mechanizmusként javasolt természetes szelekciónak elegendő ideje volt az életformák variációinak előidézésére.
Noha modelljét az új felfedezések érvénytelenítették, Lord Kelvin figyelemre méltó leckét adott a tudományos szakmaiságból kortársainak, valamint a geológusok, geofizikusok, biológusok és így tovább generációinak.
BIBLIOGRÁFIA
Aja, S. U. és C. Cranganu, 2013, A Föld rendszerének felfedezése, Kendall Hunt Publishing Co.
[1] A Kelvin-modell példájához lásd az 1997-ben kifejlesztett doktori disszertációmat, a hőáramlást Oklahomában. Több mint 120 geotermikus gradiens mérést alkalmaztam Oklahoma államban, és több hallgató segítségével mértem, több mint 1500 különböző vezetőfúrásból és különböző mélységű kőzet hővezető képessége Végül elkészítettük Oklahoma állam első hőáramát és radioaktív hőtérképeit.
2012-ben doktori disszertációm, kiegészítve más közleményekkel, megjelent a Heat Flow in Oklahoma and the South Central USA: The Heat Flow in Oklahoma and the South Central United States.
[2] Sir William Thompson, Lord Kelvin, 1900, A nap melegének kora, A csillagászat esszéiben, szerk. Edward Singleton Holden, D. Aplleton and Co., New York, 49. o.
[3] Dalrymple, G. B., 2004, Ősi Föld, ősi égbolt: A Föld és kozmikus környezetének kora, Stanford University Press, Stanford University Press, Kalifornia, 36. o.