Вселенная

Если бы Гельмгольц выдвинул свою гипотезу не в 1853, а в 1803 г., возраст Земли в 18 000 000 лет показался бы вполне удовлетворительным и даже слишком большим. Собственно говоря, на заре XIX в большинство европейских ученых еще находилось под гипнозом буквального понимания библейских текстов, а потому считалось, что Земля существует всего лишь около 6000 лет. И цифра в 18 000 000 лет показалась бы этим ученым кощунственно огромной.
Но первая половина XIX в. ознаменовалась коренным переворотом в их взглядах. В 1785 г. шотландский геолог Джеймс Хуттон (1726—1797) опубликовал книгу под названием «Теория Земли», в которой рассмотрел медленные изменения земной поверхности — отложение осадков, выветривание скал и т. п. Он исходил из «принципа единообразия», согласно которому любые изменения, происходящие в наше время, и в прошлом протекали примерно с той же скоростью. Если принцип единообразия был верен, то это означало, что потребовалось колоссальное время, чтобы отложения осадочных пород достигли нынешней толщины, чтобы успело произойти такое выветривание и возникли все существующие складки и другие детали рельефа поверхности Земли.
Хуттон не убедил своих современников, но между 1830 и 1833 гг. другой шотландский геолог, Чарльз Лайель (1797—1875), опубликовал свои «Основы геологии». В этой книге были популярно изложены выводы Хуттона и приведены дополнительные подтверждающие их данные. Книга Лайеля сыграла решающую роль, и с тех пор геология стала измерять историю Земли сотнями миллионов лет.
Поэтому, когда Гельмгольц определил предельный возраст Земли в 18 000 000 лет, геологи очень удивились. Кольцо газа и пыли просто не могло успеть за 18 000 000 лет сгуститься, постепенно обрести все свойства твердого тела, обзавестись океаном и атмосферой, а затем претерпеть все дальнейшие изменения, о которых свидетельствовало нынешнее состояние земной коры.
Кроме того, к этому времени биологи пришли к заключению, что живые организмы с течением времени медленно меняются. В 1859 г. английский натуралист Чарльз Роберт Дарвин (1809—1882) опубликовал свой труд «Происхождение видов», в котором доказал, что подобные изменения возникали в результате естественного отбора — процесса чрезвычайно медленного, так что изменения, наблюдаемые в окаменелых остатках вымерших видов, потребовали колоссального времени.
Точка зрения Дарвина лишь с большим трудом одержала победу над религиозными предрассудками, опиравшимися на священное писание, но постепенно все больше биологов становилось ее сторонниками, и возраст Земли, указанный Гельмгольцем, их также никак не устраивал. Однако логика Гельмгольца казалась неопровержимой, а спорить с законом сохранения энергии и вовсе не приходилось.
Вот почему во второй половине XIX в. вопрос о возрасте солнечной системы, и особенно Земли, зашел в тупик. Физики защищали короткий срок, геологи и биологи —длинный.
Но в 90-х годах XIX в. в физике произошел переворот В 1896 г. французский физик Антуан Анри Беккерель (1852 — 1908) открыл, что соединения урана служат постоянным источником мощной радиации. Это явление получило впоследствии название радиоактивности По-видимому, в природе существовали источники энергии, неизмеримо более мощные, чем химические реакции или даже сжатие под влиянием тяготения.
К 1911 г. английский физик, уроженец Новой Зеландии, Эрнст Резерфорд (1871 -1937) доказал, что атом— не просто монолитный шарик, но состоит из расположенного в его центре крохотного атомного ядра, содержащего практически всю массу данного атома и окруженного легчайшими частицами — электронами. В химических реакциях используются те силы, которые удерживают электроны на их местах возле ядра атома, и эти же силы служат источником энергии, например, при горении угля.
Атомное ядро само состоит из частиц, относящихся, как было открыто позднее, к двум разновидностям, — протонов и нейтронов. Их удерживают в ядре силы, гораздо более могучие, чем те, которые удерживают электроны вокруг ядра или соединяют вместе различные атомы и молекулы. Существуют ядерные реакции — изменения в комбинациях протонов и нейтронов, — при которых выделяется неизмеримо больше энергии, нем при любой химической реакции. Радиоактивность — это одна из форм ядерных реакций.
В 1905 г. немецкий физик швейцарского происхождения Альберт Эйнштейн (1879—1955) обратил внимание на один довольно неожиданный аспект ядерных реакций. Эйнштейн открыл, что сама масса представляет собой, чрезвычайно концентрированную форму энергии, и вывел всемирно известную ныне формулу Е = mc², где Е—энергия, m — масса, а с — скорость света в пустоте.
Если мы вспомним, что значение с очень велико (300 000 000 м/сек), а значение с² — произведение этого гигантского числа на самое себя — величина вообще необъятная, то увидим, что даже малое количество массы эквивалентно огромному количеству энергии. Один грамм массы может быть превращен в 21 500 000 000 ккал — количество энергии, которое может быть получено при сжигании 2 500 000 л бензина.
Высвобождение энергии всегда происходит за счет исчезновения массы, но при обычных химических реакциях энергия высвобождается в таких ничтожных количествах, что потеря массы неуловимо мала. Как я уже только что сказал, для потери 1 г. массы надо сжечь 2 500 000 л бензина. Ядерные реакции производят энергию в гораздо больших количествах, и тут потеря массы уже настолько велика, что становится заметной.
Предположим, например, что Солнце получает свою энергию не за счет сжатия, вызванного силой тяготения, а в результате каких-то происходящих внутри него ядерных реакций Какое количество массы Солнца должно превращаться в энергию для того, чтобы оно излучало энергию в нынешних масштабах? Вычислить это нетрудно- 4 600 000 т в секунду. Эту массу Солнце утрачивает навсегда, так как энергия, в которую она превращается, рассеивается в межзвездном пространстве.
Может ли Солнце выдержать эту непрерывную потерю массы со скоростью несколько миллионов тони в секунду? Несомненно, ибо такой расход ничтожно мал по сравнению с колоссальной массой самого Солнца и при такой скорости ее расходования пройдут триллионы лет, прежде чем масса Солнца уменьшится хотя бы на 1%.

Такая потеря массы не окажет заметного влияния на притяжение Земли к Солнцу. Уменьшение массы происходит в 30 миллионов раз медленнее, чем происходило бы ее возрастание по гипотезе метеорного дождя. Из-за убыли массы в результате ядерных реакций солнечное тяготение должно ослабляться настолько, что земной год удлинится на 1 сек лишь через 15 000 000 лет. Такое удлинение ничтожно мало.
Ядерные реакции как источник энергии не должны приводить к каким-либо заметным изменениям объема или внешнего облика Солнца на протяжении очень долгого времени: Солнце, а с ним и Земля могли пребывать в своем нынешнем виде не десятки миллионов, а миллиарды лет. Геологи и биологи оказались правы, а гипотеза Гельмгольца была окончательно опровергнута.
Кроме того, та же радиоактивность позволила создать новый метод определения возраста Земли, метод, куда более точный и надежный, чем все предыдущие.
По мере того как уран испускает свою радиацию, природа его атомов меняется — они становятся другими атомами, которые продолжают испускать радиацию, так что их природа снова меняется. В конце концов уран превращается в свинец — устойчивый элемент, который уже больше не изменяется.
Скорость распада урана подчиняется простому правилу, которое хорошо известно химикам как правило реакций первого порядка. Правило это означает, что, если определить скорость изменении за короткий отрезок времени, ее можно будет совершенно точно предсказать и для более долгих периодов. Например, можно установить, что половина любого количества урана распадется и перейдет в свинец за 4 500 000 000 лет. Этот гигантский промежуток времени называется периодом полураспада урана-238 (наиболее распространенной разновидности атома урана).
Представьте себе теперь, что вы исследуете породу, содержащую урановые соединения. Уран внутри нее непрерывно распадается и превращается в свинец. Пока порода остается нераздробленной, атомам свинца некуда деться и они остаются среди атомов урана Вначале урановые соединения могли быть совершенно чистыми, но постепенно они все больше загрязняются свинцом. Поскольку те крохотные колебания температуры и давления, которые возможны на Земле, не влияют на скорость ядерных реакций, точное количество свинца, сопутствующего урану, зависит только от времени, в течение которого данная порода оставалась целой и нераздробленной (и от количества первоначальной примеси свинца), а не от каких-либо непредсказуемых изменений внешней окружающей среды.
На это указал еще в 1907 г. американский химик Бертрам Борден Болтвуд (1870—1927); в последующие годы были проведены анализы содержания урана и свинца в породах и разработан метод использования этих анализов для определения возраста породы. И через несколько лет были обнаружены породы, которые, как показывал урано-свинцовый метод, сохранялись в первозданном виде на протяжении миллиарда с лишним лет.
В последние десятилетия разнообразные методы определения возраста Земли, связанные с измерением той или иной формы радиоактивности, дали для него достаточно достоверную величину в 4 700 000 000 лет — период, в 260 раз превосходящий тот, который был указан Гельмгольцем.