Историк Стивен Браш в книге ‘Температура истории: этапы развития науки и культуры в XIX веке‘ ищет связи между развитием термодинамики и культурой в 19-м веке. Он выделяет три периода: романтизм, реализм и неоромантизм, а название ‘Температура истории‘ подчеркивает влияние учения о теплоте на общественное сознание. Появление законов сохранения и диссипации энергии привело к пониманию об ограниченности во времени поступления энергии от Солнца, а также к появлению понятия тепловой смерти вселенной. По всей видимости, это способствовало появлению декаданса в конце 19-го века.
Ниже я выпишу из книги информацию о диспуте Уильяма Томсона (будущего Кельвина) с геологами по поводу возраста Земли и дополню эту информацию цитатами из лекции Анри Пуанкаре ‘Эволюция законов‘. В заключение следует моя попытка рациональной реконструкции этого эпизода истории науки на основе позиции экспериментальной науки.
Геолог Чарлз Лайель провозгласил принципы униформиза, градуализма и актуализма, согласно которым скорость геологических процессов в прошлом была такой же как в настоящее время (книга ‘Принципы геологии‘, 1830-1833). Отсюда следовало, что для формирования Земли требовался огромный период времени. Кельвин, однако, на основе ряда расчетов ограничил возраст Земли и Солнца и тем самым пришел к выводу о неправильности гипотезы униформизма в геологии.
Вначале Кельвин считал, что энергия Солнца возобновляется потоком метеоритов, падающих на Солнце. Однако расчеты Леверье при исследовании смещение перигелия Меркурия показали, что возможная масса метеоритов внутри орбиты Меркурия для этого недостаточна, и поэтому Кельвин отверг эту идею. В 1862 году в статье ‘О продолжительности солнечной теплоты‘ Кельвин оценил возраст Солнца максимум в 100 миллионов лет. Он также указал, что жители Земли не смогут наслаждаться светом и теплом от Солнца в течение многих последующих миллионов лет при условии отсутствия других неизвестных источников энергии.
В том же году Кельвин в статье ‘О многовековом охлаждении Земли‘ опубликовал результаты другого расчета, связанного со скоростью остывания Земли. Кельвин отталкивался от предположения, что в начальном состоянии Земля имела температуру плавления горных пород, а далее он оценил скорость охлаждения с использованием уравнения теплопроводности Фурье. Это дало оценку возраста Земли, сравнимую с оценкой возраста Солнца. Браш отмечает определенную иронию. Подобная оценка была получена самим Фурье в 1820 году, но тогда такой возраст Земли представлялся для геологов слишком большим, а во времена Кельвина такой же возраст стал уже слишком маленьким.
В 1865 году Кельвин начал атаку на геологов — он опубликовал статью с выразительным названием ‘Краткое опровержение геологической доктрины униформизма‘. Далее он сделал доклад на эту тему в 1868 году в Геологическом обществе Глазго. Первым решил ответить от имени геологов биолог Томас Гексли в 1869 году, поскольку в то время он был президентом Лондонского геологического общества. Правда, стратегия, выбранная Гексли была неудачной, поскольку он одновременно выразил свое недостаточное знание физики и уверенность в том, что несмотря на это он сможет опровергнуть Кельвина.
В том же году взгляды физиков были выражены в анонимной статье ‘Геологическое время‘ (предположительно автор Питер Тэйт), в которой в резких тонах натуралисты обвинялись в игнорировании физики. Дарвин был этим расстроен, но он не стал участвовать в публичных обсуждениях возраста Земли. Гексли аналогичным образом в лекции в 1876 году также предпочел устраниться от обсуждения возраста Земли. Он сказал, что это дело геологов и физиков, а когда геологи и физики достигнут согласия, биологи согласятся с этим решением. Такая ситуация осталась до открытия радиоактивности и последующего появления метода радиоизотопного датирования. Таким образом в начале 20-го века появились оценки возраста Земли в миллиарды лет.
Лекция Анри Пуанкаре на четвертом конгрессе по вопросам философии в 1911 году в Болонье была посвящена вопросу, могут ли законы физики меняться во времени. Позиция Пуанкаре сводилась к тому, что такое предположение внутренне противоречиво, но он последовательно рассматривал самые разные возможности. В том числе он коснулся вопроса расхождения о возрасте Земли между физиками и геологами. Приведу пару цитат — обратите внимание, что Пуанкаре использует миллионы лет для прошлого и будущего:
‘Сегодня — это те времена, о которых история сохранила нам воспоминание; прежде — это миллионы лет, предшествовавшие истории, то время, когда ихтиозавры жили спокойно без философии, а завтра — это миллионы лет, которые наступят впоследствии, когда земля охладится и не будет человека с его глазами, которые видят, и с его мозгом, который мыслит.’
‘Если по законам термодинамики вычислить время, в течение которого Солнце могло посылать нам свою теплоту, то мы найдем около 50.000.000 лет. Период этот геологи считают недостаточным: не говоря уже о том, что эволюция органических видов должна была совершаться гораздо медленнее, — это вопрос спорный, — до осаждение пластов, в которых находятся остатки растений и животных, который не могли бы существовать без солнца, требует, по крайней мере, в десять раз большего числа лет.’
В докладе этот вопрос рассматривается в контексте возможного изменения законов природы, и в данном случае главный вывод в том, что аргументация геологов также основана на неизменности законов природы. Поэтому противоречия между физиками и геологами ничего не меняют в вопросе о постоянстве законов физики. Тем не менее, Пуанкаре разбирает аргументы физиков и геологов, и из его лекции видно, что он на стороне физиков.
В книга Браша приводится цитата историка Леонарда Уилсона (Leonard G. Wilson) из статьи 1969 года о влиянии аргументов Кельвина на развитие геологии:
‘Ущерб, нанесенный геологии в период с 1865 по 1903 год, не удалось устранить быстро. Целое поколение геологов утратило уверенность в принципах теоретической геологии. Авторитет Лайеля был подорван — по крайней мере, в том, что касалось скорости и интенсивности действия геологических факторов, — и геологи могли использовать объяснения событий прошлого в духе катастроф. … Влияние лорда Кельвина на геологическую мысль в течение последнего столетия осталось глубоким, и его нелегко стереть.’
В философии науки обсуждается рациональная реконструкция истории науки, и можно попытаться рассмотреть этот эпизод с такой точки зрения — кто и в чем был неправ. Для обсуждения этого вопроса я использую свою терминологию на основе позиции экспериментальной науки.
Проведение расчетов Кельвином следует отнести к рациональному поведению. Физической теории придается универсальность, и тем самым физик-теоретик имеет полное право использовать ее при обсуждении всех явлений. Таким образом на этом этапе Кельвин был прав; более того, можно сказать, что он должен был поступить таким образом, поскольку только таким путем можно проверить справедливость физической теории.
Признаюсь, что мое знание истории геологии ограничено. Из того, что я видел у историков, следует, что теория униформизма Лайеля отвечала критериям рациональности. Основная проблема в последующем обсуждении неплохо представлена в лекции Пуанкаре. Она связана с тем, что рассмотрение геологов основывалось на уровне качественного обсуждения сравнительного анализа наблюдаемых явлений.
Вернусь к Кельвину. Оценки Кельвина относятся к экстраполяционизму, то есть, к использованию физической теории далеко за рамками изученной области в экспериментальных исследованиях. Таким образом, Кельвину следовало бы задуматься, как можно экспериментально проверить его оценки. Ответ в принципе сравнительно несложный — проверка полученных оценок возраста Земли возможна только путем геологических исследований. В книге Браша упоминаются оценки геологов из результатов наблюдений; однако из этой информации следует, что в то время методы измерения геологического времени отсутствовали. Это обстоятельство неплохо отражено в лекции Пуанкаре:
‘Прежде всего необходимо заметить, что науки лишь в своем неразвитом состоянии прибегают к тем заключениям по аналогии, которыми вынуждена довольствоваться современная геология. По мере своего развития науки приближаются к тому состоянию, которое, по-видимому, уже достигнуто астрономией и физикой, и в котором законы допускают математическую формулировку. С этого момента то, что мы говорили в начале этой статьи, станет верным без ограничения. Но многие полагают, что все науки должны будут раньше пли позже пройти через ту же самую эволюции. В таком случае, могущие нам встретиться затруднения, имеют лишь временный характер, и должны отпасть, когда науки выйдут из неразвитого состояния.’
Таким образом, можно выделить определенный иррациональный момент в последующем поведении Кельвина — он не задумался над эмпирическим подтверждением оценки возраста Земли. Сказанное также относится к геологам. Они были правы в использовании сравнительных методов, но расчеты Кельвина поднимали вопрос о использовании физических методов при определении геологического времени.
Большая проблема того времени связана с отсутствием необходимых физических и химических методов исследования материалов. Так, в книге Браша говорится об убеждении Кельвина и физиков того времени, что Земля является твердым телом. Это другой пример экстраполяционизма, основанный на переносе известных свойств материалов в область высоких давлений и температур. Однако как показали последующие исследования фазовых диаграмм все обстоит гораздо более сложным образом.
Таким образом в обсуждении возраста Земли во второй половине 19-го века потерялась из вида связь теории и экспериментальных исследований. Проводимые эксперименты и измерения задают, условно говоря, область ‘мы знаем’. Без всякого сомнения, выход из этой области допустим и даже желателен, без этого не будет развития науки. Тем не менее, расчеты физической теории за этими рамками переходят в область ‘мы не знаем’. Граница является серой и строгое проведение невозможно, но в любом случае в естественных науках прогресс связан в том числе с последующим расширением экспериментальных исследований на новые области. Для этого создаются новые экспериментальные установки и разрабатываются новые методы исследований. Без этого невозможно говорить о расширении области ‘мы знаем’.
Кельвин в лекции ‘Единицы измерения в электричестве‘ говорил следующее:
‘Если вы можете измерить то, о чем говорите, и выразить это в цифрах – значит, вы что-то об этом предмете знаете. Но если вы не можете выразить это количественно, ваши знания крайне ограничены и неудовлетворительны. Может это начальный этап, но это не уровень подлинного научного знания.’
Ему следовало бы применить эти слова к геологическому времени. В этом случае рациональные поведение физиков и геологов выглядело бы таким образом. Физики и геологи садятся за общий стол и обсуждают вопрос измерения геологического времени. С точки зрения современных знаний ответ должен был бы выглядеть примерно таким. Мы не знаем, как измерить геологическое время, есть разные способы оценок, но все они расходятся между собой. Поэтому следует отнести эти оценки к области ‘мы не знаем’ и продолжить обсуждение по поводу создания методов таких измерений. Без этого вряд ли возможно серьезное обсуждение возраста Земли. Позицию Кельвина в этом отношении можно охарактеризовать как радикальный экстраполяционизм — придание истинности утверждению, которое лежало далеко за рамками имеющихся экспериментальных исследований.
В заключение еще одно утверждение из лекции Пуанкаре, которое хорошо демонстрирует возникшее недоразумение в 19-м веке относительно термодинамики и жизни:
‘Но именно благодаря тому, что все стремится к смерти, жизнь является исключением, которое необходимо объяснить.’
По всей видимости тогда тепловая смерть вселенной смешивалась с завершением доступной энергии Солнца и тем самым смерти жизни на Земле. Можно представить такую логику размышлений при появление этого утверждения: если во вселенной действует неумолимая мировая сила разрушения, то непонятно почему и зачем на Земле возникла жизнь.
Информация
Stephen G. Brush, The Temperature of History: Phases of Science and Culture in the Nineteenth Century, 1978.
Анри Пуанкаре, Новая механия. Эволюция законов, 1913.
Обсуждение: ЖЖ, dreamwidth, vk, dzen, facebook, telegram
Дополнительная информация
ivanov-p, Возраст Земли — 20 миллионов…, 2021. Маршия Бьорнеруд, ‘Осознание времени. Прошлое и будущее Земли глазами геолога‘.
Тепловая смерть: Описание заметок, посвященных тепловой смерти. Физика. Тепловая смерть в культуре.
Второе начало термодинамики в центре идеологической борьбы: О книге Хелге Крага ‘Энтропийное сотворение: религиозные контексты в термодинамике и космологии‘. Оживленные обсуждения тепловой смерти (раз смерть, то было рождение) во второй половине 19-ого века.
Краг про позицию Гексли:
p. 109 ‘In a lecture of 1869 Huxley attacked the physicists ‘favourite dogma’ that the Sun was on its way to extinction and, consequently, life on Earth would eventually cease to exist. In his response to Thomson’s challenge of geological uniformitarianism he called upon the authority of the law of energy conservation, which he thought contradicted the prediction of a dying Sun.’
p. 109 ‘Huxley had appealed to Kant’s speculation of a recurrent universe where decay was endlessly balanced by reproductive processes.’