От Дарвина до Эйнштейна. Величайшие ошибки гениальных ученых, которые изменили наше понимание жизни и вселенной

Итак, представляю вам одного из величайших физиков своего времени – Уильяма Томсона, впоследствии лорда Кельвина.

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.

Глубокое воздействие

Считать дискуссию о возрасте Земли великой битвой между физикой и геологией, пожалуй, не стоит. Да, между этими дисциплинами существовали определенные методологические разногласия, однако Кельвин полагал себя полноправным британским геологом и даже в обращении к съезду Геологического общества Глазго в 1878 году объявил, что «Мы, геологи (выделено мной. – М. Л.), повинны в том, что не прибегаем к физическим опытам, дабы изучить свойства материи»[118]. Такая «гибкость» самоопределения свидетельствует о том, что научный мир XIX века был гораздо менее раздроблен. Викторианские ученые свободно посещали съезды обществ, формально относившихся к другим отраслям науки. Поэтому дискуссия о возрасте земли была не междисциплинарным диспутом, а скорее столкновением между Кельвином-человеком и доктриной, которой придерживались некоторые геологи.

Тут возникает вопрос, что подтолкнуло Кельвина к тому, чтобы вообще заняться этой проблемой. Ответ очень прост. Даже поверхностное исследование не оставляет сомнений, что стимулом, который подвиг Кельвина повести наступление на оценки возраста Солнца и Земли, был выход в свет «Происхождения видов» Дарвина в 1859 году. Поясню, что против теории эволюции как таковой Кельвин не возражал. В своем Президентском обращении к Британской ассоциации продвижения науки в 1871 году он, в частности, даже выразил осторожное согласие с некоторыми выводами, которые Дарвин делает в «Происхождении видов». Однако идею естественного отбора Кельвин отмел полностью, поскольку «всегда считал, что эта гипотеза не содержит истинной теории эволюции в биологии, если эта эволюция вообще была»[119]. Каким же был главный довод Кельвина против естественного отбора? Он объяснил, что был «глубоко убежден, что в последних научных дискуссиях в зоологии не следовало так пренебрегать аргументом единого замысла»[120]. Иначе говоря, даже этот адепт физики и математики, страстно провозгласивший, что «самая суть науки… состоит в том, чтобы логически выводить, каковы были условия в прошлом, и предвосхищать развитие в будущем тех феноменов, которые мы наблюдаем в действительности», верил все же, что «нас повсюду окружают неопровержимые доказательства разумного благосклонного замысла». Более того, Кельвин полагал, что и законы термодинамики – тоже часть этого вселенского замысла. Тем не менее нельзя забывать, что даже если Кельвин ощущал определенную душевную склонность к идее «замысла», он, несомненно, обосновывал свою беспощадную критику геологических методов на самой настоящей физике, а не на своих религиозных представлениях.

Какое влияние Кельвин оказал на геологию? Первое, что следует отметить, – это что до 1860 года геологов гораздо больше занимали диспуты о том, какая Земля внутри, твердая или жидкая, а не вопросы геохронологии. Однако к середине 1860 годов довольно многие авторитетные геологи начали очень внимательно прислушиваться к заявлениям Кельвина[121]. В первую очередь это были Джон Филлипс, Арчибальд Гейки и Джеймс Кролл. Филлипс и сам на основании изучения осадочных пород еще в 1860 году подсчитал, что возраст Земли составляет около 96 миллионов лет. К 1865 году он публично поддерживал Кельвина. А Гейки, новый руководитель Геологоразведочных работ Шотландии, стал тем человеком, который занял позицию посредника между физикой и геологией. С одной стороны, он критиковал утверждение Кельвина о том, что геологическое прошлое Земли было активнее настоящего, и приводил свидетельства, которые, по его мнению, доказывали, как минимум, что «интенсивность… в целом возрастала». С другой стороны, в статье, опубликованной в 1871 году, он отказался от идеи геологического актуализма и утверждал, что на основании физических исследований «всю геологическую историю следует вместить примерно в 100 миллионов лет». Кролл – незаурядная личность, физик и геолог-самоучка, считал, что вычисления, основанные на остывании Земли, которые проделал Кельвин, целиком и полностью верны, и также считал, что возраст Земли равен 100 миллионам лет, хотя крайне скептически относился к Кельвиновой оценке возраста Солнца.

Судить, насколько влиятельна та или иная научная теория, иногда можно по тому, насколько яростно возражают против нее различные светила, обремененные заслугами и авторитетом. В случае Кельвина верным признаком, что теория привлекла внимание оппозиции, было то, что в феврале 1869 года вычисления Кельвина раскритиковал биолог Томас Гексли.

Томас Гексли заслужил прозвище «Бульдог Дарвина» за агрессивную поддержку теории эволюции и готовность в любой момент встать на ее защиту. Дарвин терпеть не мог научных споров, зато Гексли их просто обожал. Более всего он прославился, пожалуй, легендарной перепалкой с Самуэлем Уилберфорсом, епископом Оксфордским, 30 июня 1860 года[122] в библиотеке Музея естественной истории при Оксфордском университете во время ежегодной конференции Британской ассоциации продвижения науки. Инцидент был описан яркими, пусть и не вполне достоверными красками в октябрьском выпуске «Macmillan’s Magazine» за 1898 год[123]. Автор вспоминает:

«Мне выпало счастье присутствовать при достопамятной коллизии в Оксфорде, когда мистер Гексли бросил дерзкий вызов епископу Уилберфорсу… Тогда епископ поднялся, покраснев, и несколько презрительным тоном заверил нас, что идея эволюции совершенно пуста и голуби испокон веку были теми же голубями. Затем он обратился к своему противнику с тем же оскорбительно высокомерной улыбкой и поинтересовался, по какой же линии тот произошел от обезьяны, по деду или по бабке? Услышав это, мистер Гексли поднялся – медленно и грозно. Высокий и худой, суровый и бледный, очень сдержанный и очень суровый, он стоял перед нами – и произнес сокрушительные слова, которые сейчас, пожалуй, никто, в том числе и я, не вспомнит в точности, более того, они стерлись у нас из памяти тут же, едва были произнесены, поскольку от их смысла захватывало дух, однако же смысл этот был бесспорен. Мистер Гексли ничуть не стыдился, что среди его предков была обезьяна, но ему было бы стыдно оказаться в родстве с человеком, который при помощи своих великих талантов стремится сокрыть истину. Никто не сомневался, что верно уловил суть сказанного, и впечатление это произвело душераздирающее. Одна леди лишилась чувств, и ее пришлось унести.»

Хотя сохранилось несколько версий того, к каким именно словам и выражениям прибегли участники этого неожиданного диалога, закрепившаяся за Гексли слава блестящего оратора и растущее недовольство вмешательством церковников в дела науки послужили причиной популярности этой легенды, которая с каждым годом обрастала подробностями[124]. Историк науки Джеймс Мур даже заявил, что «XIX век не знал более прославленной битвы со времен Ватерлоо»[125].

Гексли решил выступить в защиту геологов в своем президентском обращении к Лондонскому геологическому обществу. Сначала он воспользовался тем обстоятельством, что Кельвин раскритиковал довольно старое сочинение Плейфэра, и сделал довольно сомнительное заявление: «Я не считаю, что в наши дни среди геологов найдутся сторонники догматического актуализма»[126]. Далее он задает риторический вопрос, требовалось ли какому-либо геологу более 100 миллионов лет на все геологические процессы. Это был крупный промах, поскольку «хозяин» самого Гексли, сам Дарвин, ошибочно оценил возраст Уилда в 300 миллионов лет. Наконец, после нескольких еще более сомнительных, хотя и красноречивых утверждений Гексли объявил собственный вердикт: «от всей критики [геологии и биологии] не осталось камня на камне».

Обращение Гексли вызвало яростный ответ одного из самых верных сторонников Кельвина – физика и математика Питера Гатри Тэта, который никогда не упускал возможности поучаствовать в хорошем скандале и написал отзыв на обращения Кельвина и Гексли, где в нескольких учтивых фразах всячески оскорблял Гексли. После чего решил нанести удар еще болезненнее и заявил, что подобная оценка возраста Земли не только не имеет под собой никаких физических оснований, но и на самом деле Земля гораздо моложе даже самых смелых оценок Кельвина.

«Как выяснилось, мы можем со значительной долей вероятности сказать, что физика уже указывает на период в десять-пятнадцать миллионов лет, которого вполне достаточно для достижения всех целей геолога либо палеонтолога – и весьма вероятно, что, получив более точные экспериментальные данные, мы сумеем еще сильнее сократить этот период[127].»

Итогом провокационных заявлений Тэта стал ропот среди геологов, которые сочли, что достаточно постарались найти компромисс с временными ограничениями, которые установил Кельвин, а физики при этом не сочли нужным снисходить к геологическим данным. Однако, даже если учесть все эти мелочи, победу одержал, несомненно, Кельвин – в научном мире возобладало представление о том, что возраст Земли все же ограничен, а не непостижимо велик. К концу XIX века идея стабильного состояния Земли уступила место осознанию, что подсчет возраста Земли с опорой на законы физики, в сущности, входит в задачи геологии как науки.

Казалось бы, подобный колоссальный прогресс геологии в сочетании с сонмом других научных заслуг Кельвина (он опубликовал более 600 статей) должны были ввести его в число тех выдающихся деятелей науки, вклад которых запоминается человечеству навеки, поставить в один ряд с Ньютоном и Галилеем. К сожалению, реальность жестока, и не помогло даже то, что Кельвин был светилом и в науке, и в технике. В 1999 году журнал «Physics World» и интернет-сайт Британского Института физики «Physics Web» провели опросы с целью выявить десять величайших физиков всех времен и народов[128]. Ни в том, ни в другом списке Кельвин упомянут не был. По крайней мере одна из причин такого низвержения с пьедестала – это «маленькая проблема», возникшая при определении возраста Земли: сегодня мы знаем, что нашей Земле примерно 4,54 миллиарда лет[129]. Это примерно в пятьдесят раз больше оценки Кельвина! Как же ему удалось настолько промахнуться – ведь он опирался на физические законы?

Глава 5.

Как правило, уверенность – это иллюзия

Наука становится опасной тогда лишь, когда начинает воображать, будто она достигла цели.

Джордж Бернард Шоу,«Врач перед дилеммой»(Пер. П. Мелковой)

Диспут о возрасте Земли между Кельвином и «Бульдогом Дарвина» Томасом Гексли вызвал значительный интерес и в научных кругах, и среди широкой публики. В целом почти никто не спорил, что позиция Кельвина в этой словесной битве значительно прочнее. Тем не менее Гексли затронул один вопрос, который оказался весьма чувствительным. В сущности, он уловил суть ляпсуса Кельвина.

«Математику можно сопоставить с искусно сделанной мельницей, которая способна молоть муку любой тонкости, но все же что заложишь в нее, то и получишь, и как самая лучшая мельница в мире не намелет пшеничной муки из бобов, так и целые страницы формул не дадут правильного результата, если в них заложены неточные данные[130].»

И в самом деле, Кельвин владел математическим аппаратом в совершенстве, так что если он и ошибся, то, разумеется, не в вычислениях. Нужно было разобраться, какой набор допущений обеспечил исходные данные для этих вычислений.

Дерзкий ученик

Первым, кто отважно, пусть и неохотно, попытался найти ошибку в первоначальных постулатах Кельвина, был бывший ученик и ассистент Кельвина инженер Джон Перри[131]. По воле случая Перри изучал инженерное дело под началом Джеймса Томсона, старшего брата Кельвина, но впоследствии провел год в лаборатории Кельвина в Глазго. Хотя в основном научные заслуги Перри лежат в сфере электротехники и прикладной физики, сегодня он, пожалуй, известен именно кратким экскурсом в геологию.

В августе 1894 года Роберт Сесил, третий маркиз Солсбери, выступил с президентским обращением на LXIV съезде Британской ассоциации продвижения науки. Солсбери опирался на оценку возраста Земли по Кельвину (100 миллионов лет), чтобы доказать, что эволюции путем естественного отбора быть не могло[132]. Однако, как часто бывает с чересчур догматичными заявлениями, эта речь возымела прямо противоположное воздействие – по крайней мере на Джона Перри. То, что Солсбери отрицал теорию эволюции, убедило Перри, что в расчеты Кельвина вкралась какая-то ошибка. Огромное количество геологических и палеонтологических данных произвело на Перри сильное впечатление, и он написал другу-физику[133], что «едва мне стало ясно, что [в расчетах Кельвина] должен быть подобный промах, найти его перестало быть вопросом случая».

Первую версию исследования, посвященного задаче об остывании Земли, Перри закончил 12 октября 1894 года, а в последующие недели прилежно рассылал экземпляры статьи[134] самым разным физикам, в том числе Кельвину, с просьбой высказать замечания. Даже критикуя Кельвина, он не забывал об учтивости и письмо к Кельвину подписал «Ваш преданный ученик». Выводы Перри подтвердило с полдюжины физиков, однако сам Кельвин не утрудил себя ответом. Второй случай подвернулся Перри, когда его пригласили на торжественный обед в Колледж Св. Троицы в Кембридже, где должен был присутствовать и Кельвин. Возможность поговорить с Кельвином лично Перри упускать не хотел. На следующий день он взволнованно писал другу:

«Вчера вечером в колледже я сидел рядом с Кельвином, и он вынужден был выслушать меня. Я заранее знал, что мои бумаги он читать не станет, он и не стал, но я дал ему богатую пищу для ума, и минут через пятнадцать снисходительная улыбка при виде моего невежества угасла. Думаю, теперь он обо всем этом всерьез задумается. Гейки [тот самый Арчибальд Гейки, геолог] сидел напротив, и глаза у него сияли от восторга[135].»

Вскоре – 3 января 1895 года – статью Перри напечатал журнал «Nature»[136]. В заметке, предварявшей статью, звучат извиняющиеся нотки: «Друзья, интересующиеся геологией, иногда просили меня подвергнуть критическому разбору вычисления лорда Кельвина касательно вероятного возраста Земли. Обычно я отвечал, что ожидать, чтобы лорд Кельвин ошибся в вычислениях – дело безнадежное». Далее Перри выражал свое личное мнение о методологии, принятой в тогдашней геологии: «Мне очень не нравится решать численные задачи, если их ставит геолог. Почти во всех случаях заданные условия очень расплывчаты, и ответ, найденный с их помощью, никак нельзя считать удовлетворительным, к тому же геологу, судя по всему, кажется, будто несколько миллионов лет в ту или иную сторону – это сущий пустяк». Наконец, Перри объяснил, что все же подвигло его на то, чтобы взять на себя деликатную задачу усомниться в выкладках Кельвина: «В наши дни его [Кельвина] вычисления применяются для дискредитации прямых свидетельств, полученных геологами и биологами, и именно поэтому я и счел своим долгом проверить условия лорда Кельвина».

В основном Перри сосредоточился на одном из основных предположений Кельвина – что теплопроводность Земли одинакова на любой глубине. Иначе говоря, Кельвин предположил, что тепло распространяется с одинаковой эффективностью на любой глубине, что в одну милю, что в тысячу. Эта гипотеза была для него жизненно необходимой. Примерно как криминалист может определить время смерти по измерению температуры трупа, так и Кельвин опирался именно на это допущение, чтобы определить время остывания Земли, измеряя, насколько повышается температура в недрах Земли с каждым футом в глубину. В сущности, вычисления Кельвина показали, что если бы Земля была сколько-нибудь старше 100 миллионов лет, то температура возрастала бы с глубиной медленнее, чем наблюдается, поскольку охлажденная кора была бы толще.

Перри задался вопросом: что если теплопередача не везде одинакова, а в глубине идет эффективнее, чем ближе к поверхности? Очевидно, что в этом случае недра Земли под корой сохранят тепло гораздо дольше. В частности, Перри показал, что если недра Земли отчасти находятся в жидком состоянии – а такое может быть, – то сама жидкость поднимает тепло к поверхности посредством конвекции (так бывает, когда подогревают воду в глубокой кастрюле), причем механизм этот столь действенный, что предполагаемый возраст Земли можно увеличить до 3 миллиардов лет. Затем, в завершение статьи, он разобрал аргументы, основанные на возрасте Солнца и на вращении Земли, однако здесь ему не удалось сказать ничего нового. Что касается вопроса о том, что приливы замедляют скорость вращения Земли, то тут Перри прежде всего ссылался на доказательство Джорджа Дарвина, что даже отвердевшая Земля все же способна менять форму.

Одним из первых, кто откликнулся на статью Перри еще до публикации, в том виде, в каком автор разослал ее на апробацию, был не сам Кельвин, а его самопровозглашенный «бульдог» Питер Гатри Тэт. Он ответил на статью оскорбительно-пренебрежительным письмом, написанным 22 ноября 1894 года[137].

«…я так и не сумел уловить, в чем цель вашей заметки. Ведь, насколько я могу судить, против математических выкладок лорда Кельвина вы не возражаете. Тогда зачем было вообще углубляться в математику, если совершенно очевидно, что чем лучше теплопроводность земных недр по сравнению с корой, тем больше времени прошло с тех пор, когда температура целого составляла 7000 градусов по Фаренгейту [температура плавления камня по подсчетам Кельвина]: в каком же состоянии кора находится сегодня? Сдается мне, подобные выкладки едва ли обеспокоят лорда Кельвина.»

Похоже, Тэт и вправду совершенно не разобрался, в чем дело. Поскольку в то время никто не мог определенно сказать, каковы условия на большой глубине, все предположения с целью что-то вычислить были не больше чем догадками. Перри намеревался всего-навсего показать, что если, в отличие от Кельвина, предположить, что в недрах Земли тепло распространяется быстрее и легче, чем на поверхности, то вычисления, основанные на законах физики, приходят в соответствие с тем возрастом Земли, которого требуют биологи и геологи и который значительно превышает оценки Кельвина. Ляпсус Кельвина состоял в том, что он не понял, что диапазон значений, который допускали имевшиеся на тот момент наблюдения, мог привести к куда большей погрешности в оценке возраста Земли, чем Кельвину хотелось признать.

В ответе Тэту[138] Перри старался быть вежливым и отметил: «Вы пишете, что я прав, и спрашиваете, какова моя цель. Дело лорда Кельвина, несомненно, проиграно, осталось только показать, что возможно такое состояние Земли, что возраст ее составит во много раз больше, чем предполагаете и вы, и он». После чего добавляет тоном, выдающим восхищение бывшего ученика: «Меня тревожит, что на вашей стороне, как мне представляется, нет ни крупицы истины, и все же я настолько привык взирать на вас и лорда Кельвина снизу вверх, что, наверное, мои сомнения выглядят более или менее по-идиотски, коль скоро вы с ним столь уверены в своей правоте».

Однако ради Тэта можно было и не стараться и не писать примирительным тоном – тот продолжал изничтожать собеседника иронией (на илл. 10 приведена фотокопия его письма)[139]: «Хотелось бы получить ответы на два вопроса: (1) Какие у вас основания утверждать, будто внутренние материалы Земли проводят тепло лучше, чем кора?» Второй вопрос был, собственно, не вопрос, а скорее презрительная реплика о том, что геологам сколько ни предложи, все мало: «(2) Неужели вы считаете, будто подлинно передовые геологи скажут вам спасибо, если вместо ста миллионов лет вы дадите им десять миллиардов? Им и триллиона едва хватит – в качестве части какого-то вторичного периода!» Однако Перри не сдался: «Это лорд Кельвин должен доказать, что теплопроводность внутри не больше, чем снаружи!» – настаивал он[140].

Не стоит и говорить, что оценки Перри оказались верными. В отсутствие каких бы то ни было определенных экспериментальных свидетельств о том, каковы на самом деле условия в недрах Земли, достаточно было уже того, что Перри сумел показать: Кельвин может ошибаться, причем во много раз.

Когда Кельвин наконец решил ответить Перри, то держался куда менее агрессивно, чем Тэт. Хотя он и отметил, что «мне кажется, никак нельзя предполагать, что на разных глубинах теплопроводность и теплоемкость различаются так сильно, как вы [Перри] предполагаете при своих вычислениях»[141], однако добавил – нехарактерным для него умиротворяющим тоном: «Я считал, что диапазона от 20 до 400 миллионов вполне достаточно, однако не исключено, что верхний предел мне стоит подвинуть гораздо выше, быть может, до отметки 4000 вместо 400». Да, это, пожалуй, единственный случай, когда Кельвин выказал такое уважение взглядам, которые противоречили его собственным. Скорее всего, подобное великодушие свидетельствует о том, что Кельвин хотел подчеркнуть свою признательность бывшему ученику. Однако затем он поспешно добавил, что его оценка возраста Солнца по-прежнему «отказывает [Земле] в солнечном свете[142] более чем на два десятка или несколько раз по два десятка миллионов лет в прошлом». Как мы увидим чуть дальше, у Кельвина и в самом деле в то время не было причин пересматривать вычисления возраста Солнца.

Критика Перри не прошла незамеченной[143]. Месяца два Кельвин провел за опытами – он подогревал базальт, мрамор, кварц и каменную соль. В соответствии с новыми результатами швейцарского геолога Роберта Вебера, эти эксперименты, похоже, показали, что при повышении температуры теплопроводность либо вообще не слишком меняется, либо даже слегка понижается. К сожалению для Перри, новые результаты Вебера противоречили данным его собственных более ранних опытов, согласно которым, по всей видимости, теплопроводность повышалась с температурой и которые Перри приводил в доказательство своей правоты. Кельвин возликовал[144] и напечатал статью с этими результатами в журнале «Nature» 7 марта 1895 года, где объявил во всеуслышание, что «Нам с профессором Перри не пришлось долго ждать… и теперь мы знаем, что предположение, будто камень лучше проводит тепло при высоких температурах, безосновательно». Далее Кельвин приводит вывод американского геолога Кларенса Кинга, который утверждал (не рассматривая вероятность конвекции в жидкости): «У нас нет никаких доказательств, что возраст Земли может превышать 24 миллиона лет». Кельвин радостно провозгласил, что и сам он «не делает выводов, которые сильно отличаются от его [Кинга] оценки в 24 миллиона лет».

Однако Перри все это не убедило. Он сосредоточился на том, какие внутренние условия в принципе возможны, в отличие от Кельвина, который пытался догадаться, какие условия наиболее вероятны, и отметил, что вывод Кинга не выходит за рамки предположения, что Земля была твердой и однородной. В статье, напечатанной в «Nature» 18 апреля 1895 года, Перри подытожил свое представление о сложившейся тупиковой ситуации: «Теперь, когда очевидно, что если мы возьмем любой возможный закон температуры конвекционного равновесия в самом начале и предположим, что на глубине теплопроводность может быть больше, чем у камней на поверхности, то изобретательная проверка на текучесть, которую провел мистер Кинг, не препятствует нам предположить любой, сколь угодно древний возраст». Логика Перри была ясна: он поставил себе цель доказать, что Земля может быть старше, чем получалось по оценкам Кельвина, даже если не удастся выявить слабое место в аргументации Кельвина из-за недостаточных знаний о внутренней структуре Земли. Измерение теплопроводности нагретых камней, может быть, и опровергло один из предполагаемых вариантов распространения тепла на большой глубине быстрее, чем снаружи, однако есть и другие возможности. В частности, многообещающей альтернативой была конвекция посредством текучей, словно жидкость, массы.

Оказалось, что интуиция Перри и в самом деле была пророческой. Он до конца отстаивал свою позицию: то, что модель Кельвина не позволила определить более древний возраст Земли, – прямое следствие предположения Кельвина о том, что теплопроводность Земли везде одинакова, а это ограничение можно преодолеть, если допустить, что в земной мантии происходит конвекция. Геологам ХХ века понадобилось несколько десятилетий, чтобы доказать, что Перри был прав. Мысль о возможности конвекции – правда, внутри достаточно твердой земной мантии – сыграла важную роль в том, что впоследствии научное сообщество приняло идею тектоники плит и материкового дрейфа (ее выдвинул в 1912 году немецкий ученый Альфред Вегенер). Мало того что тепло может передаваться подобно течению жидкости – целые континенты способны дрейфовать горизонтально в течение длительных периодов времени. А вот вокруг того, каковы в точности условия теплообмена между недрами Земли и корой, до сих пор ведутся жаркие споры (да, это был каламбур).

Последнюю свою статью[145] о возрасте Земли Перри заключил совершенно недвусмысленным заявлением:

«Три физических аргумента [замедление вращения Земли из-за приливов, охлаждение Земли и возраст Солнца] дали лорду Кельвину возможность заключить, что верхний предел – это 1000, 400 и 500 миллионов лет. Я же показал, что у нас есть причины полагать, что возраст – исходя из всех трех аргументов – может быть весьма существенно недооценен. Нужно отметить, что если мы исключим все аргументы, кроме чисто физических, то вероятный возраст жизни на земле окажется гораздо меньше всех вышеприведенных оценок, однако если у палеонтологов найдутся веские причины требовать значительно более длительных периодов, я как физик не вижу никаких причин, которые помешали бы постановить, что подлинный возраст Земли вчетверо превышает самую большую из вышеприведенных величин».

Обратите внимание: из этого утверждения следует, что у Перри не было никаких возражений против того, что возраст Земли составляет четыре миллиарда лет – и это очень близко к современным представлениям, согласно которым Земле примерно 4,5 миллиарда лет.

Труды Перри проделали первую брешь в вычислениях Кельвина, которые казались абсолютно бесспорными: Перри подверг сомнению постулаты о твердости и однородности Земли, из которых исходил Кельвин. Однако оценка возраста Земли по Кельвину опиралась и на другую гипотезу: не существует никаких неведомых источников энергии, ни внешних, ни внутренних, которые компенсировали бы теплопотери. События конца XIX века показали, что Кельвин ошибся и здесь.

Радиоактивность

Весной 1896 года французский физик Анри Беккерель открыл, что распад нестабильных атомных ядер сопровождается испусканием излучения и частиц. Это явление получило название радиоактивности[146]. Семь лет спустя физики Пьер Кюри и Альбер Лаборд сообщили, что распад солей радия создает источник тепла, прежде не известный. Астроному-любителю Уильяму Э. Уилсону[147] потребовалось всего четыре месяца с того момента, когда Кюри и Лаборд объявили о своем открытии, чтобы сделать наблюдение, что такое свойство радия «вероятно, содержит в себе подсказку, каков источник энергии Солнца и звезд». По оценке Уилсона, всего «3,6 грамма радия на кубический метр объема Солнца достаточно, чтобы обеспечить наблюдаемый выход тепла». Очень краткая заметка Уилсона в журнале «Nature» не привлекла особого внимания научной общественности, однако потенциальные следствия из того обстоятельства, что был открыт неожиданный источник энергии, не укрылись от внимания Джорджа Дарвина[148]. Дарвин постоянно искал способы освободить геологию от смирительной рубашки геохронологии по Кельвину и в сентябре 1903 года с радостью объявил, что «Количество энергии, которую можно получить [из радиоактивных материалов], столь огромно, что теперь уже невозможно сказать, как давно существует солнечное тепло и надолго ли его хватит в будущем». Ирландский физик и геолог Джон Джоли[149] отнесся к этому заявлению с большим энтузиазмом и тут же применил его к задаче оценки возраста Земли. В письме в «Nature», опубликованном 1 октября 1903 года, Джоли указал, что «источник тепла [радиоактивные минералы] в любом элементе материала [Земли]» может влиять на теплопередачу точно так же, как повышенная теплопроводность земных недр. Именно этого, как ранее показывал Перри, и недоставало, чтобы оценки возраста Земли существенно возросли. Иными словами, по сценарию Кельвина Земля исключительно теряла тепло из своих первоначальных запасов. Открытие нового источника внутреннего тепла, очевидно, подрывало самые основы подобной гипотезы.

Среди главных действующих лиц последовавших лихорадочных исследований в области радиоактивности был молодой физик Эрнест Резерфорд[150], уроженец Новой Зеландии, впоследствии прославившийся как «отец ядерной физики». В то время Резерфорд работал в Университете Макгилла в Монреале (позднее он перебрался в Великобританию), где на основе целого ряда экспериментов установил, что атомы всех радиоактивных элементов содержат колоссальное количество скрытой энергии, которую можно высвободить в виде тепла. Впоследствии Резерфорд, а также – с еще большим восторгом – Фредерик Содди, который некоторое непродолжительное время был его сотрудником, объявили, что радиоактивность, в сущности, обесценивает все результаты Кельвина, связанные с возрастом как Земли, так и Солнца. Один журнал встретил сообщение Резерфорда, что Земля проживет гораздо дольше, чем оценивал Кельвин, броским заголовком «Страшный суд откладывается».

Кельвин, со своей стороны, живо интересовался[151] открытиями, связанными с радием и радиоактивностью, однако так и не склонился к мысли, что это как-то повлияет на его оценки возраста Земли и Солнца. По крайней мере поначалу он отказывался признавать, что источник энергии радиоактивных элементов может лежать в них самих, и писал: «Осмелюсь предположить, что когда радий передает тепло массивному веществу, которое его окружает, энергию ему сообщают какие-то эфирные волны»[152]. Иными словами, Кельвин предположил, что атомы просто забирают энергию из эфира (в то время предполагалось, что он пронизывает все пространство), а при распаде высвобождают ее. Однако в 1904 году он все же набрался недюжинной интеллектуальной отваги[153] и публично отказался от своей идеи на съезде Британской ассоциации, хотя так и не предал гласности свое отречение в печати. К сожалению, по какой-то неясной причине в 1906 году он снова утратил общий язык с остальными физиками: он был категорически не согласен, что при радиоактивном распаде один элемент превращается в другой, хотя и Резерфорд, и другие физики представили веские доказательства этого явления. Все это время Фредерик Содди, который успел создать себе репутацию в физическом сообществе Англии, то и дело терял терпение. На страницах «The Times» он затеял ожесточенную дискуссию[154] с Кельвином и позволил себе оскорбительные намеки: «Жаль, если широкая публика ошибочно решит, будто мнение тех, кто лично не работал с радиоактивными телами [аллюзия на Кельвина], следует уважать наряду с теми, у кого есть подобный опыт». Еще до этой перепалки, в книге, вышедшей в свет в 1904 году, Содди заявил, ни много ни мало, что «пределы прошлого и будущего в истории Вселенной сильнейшим образом раздвинулись».

Резерфорд был несколько великодушнее. Много лет спустя он часто рассказывал об одном случае на лекции по радиоактивности, которую он читал в Королевском институте в 1904 году.

«Я вошел в полутемный зал и сразу заметил среди публики лорда Кельвина и понял, что с последней частью моего доклада, где пойдет речь о возрасте Земли, будут сложности, поскольку мои взгляды противоречили представлениям лорда Кельвина. К моему великому облегчению, он тут же заснул, но едва я дошел до важного места, как старый пройдоха вскинулся, открыл один глаз и смерил меня ядовитым взглядом! Тут на меня снизошло вдохновение, и я сказал, что лорд Кельвин ограничил возраст Земли при условии, что не будет обнаружено никаких новых источников энергии. Так вот, это провидческое заявление и относится к теме моего сегодняшнего доклада – к радию! Видели бы вы, как просиял старик[155].»

Впоследствии одним из самых надежных методов, позволяющих определить возраст минералов, скал и прочих геологических объектов, в том числе и самой Земли, стал метод радиоизотопного датирования[156]. В целом метод основан на том, что радиоактивный элемент превращается в другой радиоактивный элемент со скоростью, определяемой периодом полураспада – то есть временем, за которое первоначальное количество вещества уменьшится вдвое. Элементы распадаются, пока не получится стабильный элемент. Если измерить и сравнить относительное количество радиоактивных изотопов в природе и сопоставить эти данные с известными периодами полураспадов, можно с высокой точностью определить возраст Земли, что и сделали геологи.

Одним из первопроходцев в этой области был Резерфорд, о чем свидетельствует и такая история[157]. Однажды Резерфорд шел по университетскому городку с черным камешком в руке и встретил коллегу – канадского геолога Фрэнка Доусона Адамса.

– Адамс, – спросил он, – сколько бишь лет Земле?

Адамс ответил, что несколько методов подсчета дали примерно 100 миллионов лет.

Тогда Резерфорд заметил вполголоса:

– Я выяснил, что этому кусочку уранита 700 миллионов лет.

Кстати, ученые из Аргоннской Национальной лаборатории в Иллинойсе недавно нашли радиоизотопному датированию новое интересное применение. В 2011 году им удалось при помощи распада редкого изотопа криптон-81 проследить возраст Нубийского водоносного слоя, который раскинулся по всей Северной Африке. Ученые измерили, сколько этого изотопа в воде водоносного слоя (часть которого залегает на три километра в глубину под египетскими оазисами) распалось за время, прошедшее с тех пор, как эта вода в последний раз видела солнечный свет.

Большинство исторических отчетов о научной дискуссии по поводу возраста Земли наводят на мысль, что грубая ошибка, которую допустил Кельвин при оценке этой величины, была прямым следствием того, что он не признавал радиоактивность. Если бы дело было только в этом, я бы не включил ее в свою книгу, поскольку она не подпадала бы под категорию ляпсусов: ведь Кельвин, очевидно, не мог учесть при расчетах источник энергии, который еще не был открыт. Однако представление о том, что ошибка в определении возраста связана исключительно с радиоактивностью, ошибочно само по себе. Да, радиоактивный распад по всему объему земной мантии (на глубину почти 3000 км) действительно вырабатывал бы тепло со скоростью, примерно равной половине скорости теплообмена по всей планете. Однако не все это тепло было доступно по первому требованию.

Тщательное изучение проблемы показывает, что если опираться на те же предположения, что и Кельвин, то, согласись он включить в них и тепло от радиоактивного распада, ему пришлось бы учитывать только тепло, вырабатываемое во внешней коре Земли – на глубине до 100 км. Дело в том, что Кельвин показал: только тепло с такой глубины могло участвовать в теплопередаче к поверхности примерно за 100 миллионов лет. Геологи Филипп Ингленд, Питер Молнар и Фрэнк Рихтер[158] в 2007 году показали, что если принять во внимание этот факт, то радиоактивное тепло не слишком повлияло бы на Кельвинову оценку возраста Земли. Серьезный ляпсус Кельвина заключался, очевидно, не в том, что он не подозревал о радиоактивности (хотя, конечно, игнорировать ее открытие ему не следовало), а в том, что он изначально пренебрег предположением, которое высказал Перри, и в дальнейшем возражал против него – я имею в виду гипотезу о конвекции в земной мантии. Вот почему он так грубо ошибся в своих оценках.

Как же так вышло, что человек такого колоссального ума, как Кельвин, столь упорно настаивал на своей правоте, даже когда стало очевидно, что он совершил колоссальную ошибку? Увы, Кельвин, как и все мы, должен был задействовать машинку, которую природа поместила между его ушей – свой мозг, – а ресурсы мозга не безграничны, даже если он принадлежит гению.

Когда кажется, что ты все знаешь

Поскольку мы не можем ни расспросить самого лорда Кельвина, ни получить изображения его мозговой активности, мы так и не узнаем наверняка, каковы были причины его неуместного упрямства. Мы, разумеется, знаем, что те, кто почти всю профессиональную жизнь отстаивают ту или иную точку зрения, неохотно признают, что заблуждались. Но почему? И даже если это верно для большинства из нас, простых смертных, почему это оказалось справедливо и в случае Кельвина – ведь он был великий ученый? Ведь менять собственную теорию на основании новых экспериментальных данных – это и есть наука, верно? К счастью, современная психология и нейрофизиология пролили некоторый свет на так называемое «ложное чувство знания» – видимо, именно этот феномен и определял ход мыслей Кельвина.

Прежде всего следует отметить, что и подход к науке, и метод поисков истины у Кельвина был скорее инженерный, чем философский. Кельвин был как отличным специалистом по математической физике, так и талантливым экспериментатором и всегда скорее искал способ что-то вычислить или измерить, а не возможность взвесить различные варианты. Поэтому самое простое объяснение ляпсуса Кельвина состоит в том, что Кельвин был убежден, что он в любом случае может определить вероятное развитие событий, и не понимал, что всегда существует опасность упустить возможные альтернативы.

На более глубоком уровне ляпсус Кельвина, вероятно, коренился в одной давно известной психологической особенности: чем больше мы убеждены в том или ином мнении, тем меньше нам хочется от него отказываться, даже если существует масса доказательств, что мы ошибаемся (вспомним, например, оружие массового поражения и убежденность некоторых ученых, что оно положит конец войнам). Именно ощущением дискомфорта, которое возникает у человека, когда он сталкивается с информацией, противоречащей его убеждениям, и занимается теория когнитивного диссонанса[159]. Многочисленные исследования показывают, что для облегчения когнитивного диссонанса во многих случаях человек вместо того, чтобы признать ошибку в рассуждениях, склонен по-новому переформулировать свою точку зрения таким образом, чтобы с полным правом придерживаться старых воззрений. Ситуация, когда решения принимаются под воздействием эмоций, называется «мотивированное обоснование».

Прекрасный пример подобной переориентации – мессианское движение иудеев-хасидов под названием «Хабад»[160]. Последователи Хабада были уверены, что их лидер рабби Менахем-Мендл Шнеерсон и есть Мессия, и это движение достигло пика в последние десять лет перед смертью рабби Шнеерсона в 1994 году. В 1992 году у рабби случился инсульт, и многие его верные последователи считали, что он не умрет, а скорее «возродится» как Мессия. Однако рабби Шнеерсон все-таки скончался, что стало настоящим потрясением – однако десятки его последователей откорректировали свою точку зрения и прямо на похоронах настаивали, что на самом деле его смерть – необходимое условие его воскрешения и возвращения как Мессии.

В 1955 году психолог Джек Брем[161], который тогда работал в Университете штата Миннесота, провел эксперимент, который продемонстрировал еще одно проявление когнитивного диссонанса. В эксперименте участвовали 225 студенток-второкурсниц (классические испытуемые в психологических экспериментах), которых сначала попросили распределить восемь галантерейных товаров по их привлекательности для покупателей – по шкале от 1.0 («совсем не хочу приобрести») до 8.0 («очень хочу приобрести»). На втором этапе студенткам показывали два предмета (из первоначальных восьми) и разрешали выбрать себе в подарок один из них. После этого все восемь предметов расставляли по привлекательности еще раз. Исследование показало, что при составлении второго рейтинга студентки обычно оценивали тот предмет, который выбрали себе в подарок, выше, чем в первый раз, а тот, который отвергли, ниже. Результаты этого эксперимента и нескольких ему подобных подтверждают, что наш мозг стремится снизить диссонанс между идеей «Я выбираю предмет номер три» и идеей «Однако у предмета номер семь тоже есть кое-какие привлекательные черты». Иными словами, когда выберешь какую-то вещь, она становится в твоих глазах лучше, что в дальнейшем подтвердили и исследования мозговой активности, которые показали, что после выбора повышается активность в хвостатом ядре – зоне мозга, отвечающей за «хорошее настроение».

Думается, случай Кельвина – ярчайший пример когнитивного диссонанса. Кельвин повторял свои доводы, подтверждающие оценку возраста Земли, более тридцати лет и не собирался менять мнение только потому, что кто-то предположил возможность конвекции. Обратите внимание, что Перри, очевидно, не мог привести бесспорных доказательств, что конвекция действительно имеет место, более того, не мог даже продемонстрировать, что она вероятна. К тому времени, как на сцену вышла радиоактивность – а до этого прошло еще десять лет – Кельвин, похоже, был еще менее склонен публично признавать свое поражение. Нет, он предпочел участвовать в сложнейшей системе экспериментов и объяснений, исключительной целью которых было показать, что его старые оценки по-прежнему верны.

Почему же так трудно отказываться от собственного мнения даже перед лицом контраргументов, которые счел бы верными любой независимый наблюдатель? Ответ, вероятно, таится в том, как устроен цикл вознаграждений в мозге. Исследователи Джеймс Олдс и Питер Милнер из Университета Макгилла еще в пятидесятые годы обнаружили центр удовольствия в мозге крысы[162]. Оказалось, что крысы нажимали на рычаг, который активировал электроды, помещенные в этот центр удовольствия, более чем 6000 раз в час! Могущество стимуляции, вызывающей удовольствие, ярко продемонстрировали эксперименты середины 1960 годов, когда оказалось, что если крысы вынуждены выбирать между тем, чтобы добывать пищу и воду, и тем, чтобы получать стимуляцию центра удовольствия, они по доброй воле морят себя голодом.

В последние два десятилетия нейрофизиологи разработали весьма хитроумные системы визуального отображения мозговой активности, которые позволяют подробно видеть, какие зоны человеческого мозга становятся ярче в ответ на приятный вкус, музыку, секс или выигрыш в азартных играх. Самые распространенные техники – позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), когда испытуемому вводят радиоактивные метки, а затем наблюдают их распределение в мозге, и функциональное изображение методом магнитно-резонансной томографии, которая следит за притоком крови к активным нейронам. Исследования показали, что важную роль в цикле вознаграждения[163] играет скопление нервных клеток, расположенное у основания мозга (в так называемой вентральной области покрышки) и соединенное с прилежащим ядром – областью под корой лобной доли. Эта цепь называется мезолимбическим дофаминовым путем. Нейроны вентральной области покрышки обмениваются сигналами с прилежащим ядром при помощи определенного химического нейротрансмиттера под названием дофамин. Другие зоны мозга обеспечивают эмоциональное наполнение воспоминаний, а также запускают различные эмоциональные реакции. Например, гиппокамп очень хорошо «делает заметки», а миндалевидное тело «оценивает» степень удовольствия.

Как же все это связано с интеллектуальными изысканиями? Чтобы взяться за какой-то относительно длительный умственный процесс и придерживаться его, мозгу нужна хотя бы перспектива получить удовольствие и награду. Будь то Нобелевская премия, зависть соседей, повышение зарплаты или просто удовольствие от решения головоломки судоку с пометкой «очень сложно» – прилежащее ядро в нашем мозге нуждается в какой-то дозе вознаграждения, чтобы действовать дальше. Однако если мозг в течение длительного времени часто получает вознаграждение, то, как в случае с крысами, которые морили себя голодом, и с наркоманами, нейронные связи между умственной активностью и чувством достигнутой цели постепенно теряют остроту. Наркоманам нужно все больше наркотиков, чтобы добиться прежнего эффекта. А при умственной деятельности возникает обостренная потребность всегда ощущать свою правоту и снижается способность признавать свои ошибки. Нейрофизиолог Роберт Бертон[164] даже предположил, что уверенность в своей правоте, вероятно, имеет общие физиологические черты с другими пагубными привычками. Если это действительно так, то у Кельвина, несомненно, наблюдались все симптомы болезненного привыкания к собственной правоте. Почти полвека победоносных битв с геологами – а он, конечно, воспринимал это именно так, – укрепили его в убеждении настолько, что разрушить сложившиеся нейронные связи было уже невозможно. Однако независимо от того, вызывает чувство собственной правоты болезненное привыкание или все-таки нет, метод функциональной магнитно-резонансной терапии показал, что так называемое «мотивированное обоснование» – когда мозг отбирает именно те суждения, которые вызывают максимально приятные эмоции, связанные с тем, что у человека возникают те или иные мотивы, – не имеет отношения к активности мозга[165], связанной с решением задач, требующих холодной логики. Иначе говоря, мотивированное обоснование управляется исключительно эмоциями, а не бесстрастным анализом, и его цель – минимизировать угрозу самолюбию. Поневоле приходится предположить, что на закате жизни эмоциональный интеллект Кельвина то и дело одерживал верх над рациональным.

Должно быть, вы уже заметили, что когда я говорил о ляпсусе Кельвина, то не упомянул о вычислении возраста Солнца. И в самом деле, я не считаю это ляпсусом. Но почему? Ведь оценка, которую он дал – меньше 100 миллионов лет – оказалась столь же ошибочной, что и оценка возраста Земли.