Эволюция Вселенной и происхождение жизни

Теерикор Пекка

Глава 29 Происхождение Земли и Луны

 

Мы уже рассказывали, как Homo sapiens шаг за шагом открывал для себя просторы Вселенной, изобретая методы измерения расстояний и определения свойств небесных тел. Наряду с глубиной пространства перед нами открываются и глубины времени. Нам нелегко представить гигантские космические расстояния. Не менее сложно для нашего разума осмыслить и ту огромную длительность времени, которая потребовалась для рождения Земли (и, конечно, нашей Галактики). Нам трудно вообразить существование чего-то более краткого, чем десятая доля секунды; а что-то более длительное, чем возраст наших бабушек и дедушек, вообще выходит за рамки нормального мышления. Мы вынуждены использовать различные косвенные методы, чтобы представить себе столь длительные отрезки времени, как миллионы и даже миллиарды лет.

Первые оценки возраста Земли.

Знаменитое определение возраста Земли сделал в 1654 году ирландский епископ и ученый Джеймс Ашшер, воспользовавшись для этого Библией. Начав от рождения Христа и используя жизнеописания библейских персонажей, он двигался в глубь времени и пришел к выводу, что Вселенная и Земля были сотворены за 4004 лет до Рождества Христова. Такие библейские определения возраста Земли (использовавшиеся задолго до Ашшера) считались обоснованными вплоть до XIX века, пока геологи, палеонтолога, астрономы и физики не представили свидетельства более адекватной шкалы времени.

В 1779 году француз Жорж Луи Леклерк де Бюффон (1707–1788) подверг сомнению результаты Ашшера. Он утверждал, что найденные к тому времени окаменелости успели бы сформироваться только в том случае, если возраст Земли составляет не менее 75 000 лет. Это радикальное предположение стало первым геологическим определением возраста Земли. При этом оно весьма неплохо совпадало с оценкой Исаака Ньютона, предположившего в своих «Началах» (1687), что возраст Земли должен составлять 50 000 лет. Эту оценку он получил, опираясь на время охлаждения железной сферы, размер которой он экстраполировал к размеру Земли. Граф Бюффон провел подобные эксперименты со сферами различного размера.

Вскоре шотландский геолог Джеймс Хаттон (рис. 29.1) выдвинул новую идею. Он предположил, что древние события можно понять, изучив современные процессы, такие как накопление песка на берегу или выбросы лавы и пепла при извержении вулканов: если их интенсивность не меняется со временем, их можно использовать дня изучения геологических слоев и горных пород. Свои идеи Хаттон опубликовал в 1788 году в книге «Теория Земли». Он утверждал, что геологические слои формируются в течение долгого времени, что противоречило господствовавшей тогда теории катастроф, согласно которой геологические структуры сформировались почти мгновенно в ходе библейского Всемирного потопа.

Рис. 29.1. Джеймс Хаттон (1726–1797), основатель современной геологии: медленные процессы сформировали геологические структуры.

Шотландец Чарлз Лайель (1797–1875) учился в Оксфорде. Его книга «Основы геологии» (в трех томах, изданных в 1830–1833 годах) получила такое признание, что теория катастроф начала терять популярность. Он подчеркивал, что действующие сейчас физические законы работали и в прошлом и что геологические процессы всегда происходили так же и с той же скоростью, что и сегодня. Теперь-то мы знаем, что это не совсем так: некоторые процессы сильно менялись в прошлом.

Далее, под впечатлением работы Лайеля, Чарлз Дарвин обратил внимание на новый аспект в споре о возрасте, рассмотрев эволюцию от простейших организмов до человека. По его оценкам, геологические процессы должны были продолжаться 300 млн лет, и этого времени — как он полагал — достаточно и для эволюции жизни. Ирландский геохимик Джон Джоли в 1899 году получил для возраста Земли примерно такой же результат — 90 млн лет. Он основывался на вычислении времени, необходимого для того, чтобы океан стал соленым, вбирая в себя всю соль из речной воды. Он не вполне справедливо предполагал, что ежегодный принос соли не меняется и что океан не теряет соль. Итак, к началу XX столетия казалось, что геологический возраст Земли составляет 100 млн лет или немного больше.

Третьим способом оценки возраста Земли стало физическое определение возраста. В 1862 году Уильям Томсон, известный также как лорд Кельвин, пересмотрел оценку графа Бюффона и вычислил, сколько времени потребуется земному шару, чтобы остыть от температуры 1000 °C до 15 °C. Для этого Кельвин использовал теорию теплопроводности Джозефа Фурье (сам Фурье фактически пришел к такому же результату, но не осмелился опубликовать столь радикальный для того времени вывод). У Кельвина получился возраст Земли 98 млн лет. Подозревая, что в расчетах могут быть ошибки, он заявил, что диапазон возраста Земли составляет от 20 до 400 млн лет. Если бы недра Земли ничем не подогревались, эта оценка была бы обоснованной.

Поскольку Солнце и Земля, скорее всего, формировались вместе, их возрасты должны быть сравнимыми. Но это совершенно разные тела, поэтому для определения их возрастов требуются совершенно разные методы. В качестве первой оценки можно вычислить, что если бы Солнце состояло из углерода, который горит в кислороде, то при современной мощности излучения Солнца оно бы полностью сгорело всего лишь за 10 000 лет. Сегодня очевидно, что источником энергии Солнца не могут быть химические реакции.

Лорд Кельвин рассмотрел возможность того, что источником солнечной энергии, которую мы получаем сейчас, служит тепло, выделившееся при сжатии вещества Солнца в период его формирования, а также небольшое количество тепла, выделяющееся ныне при падении на Солнце метеоритов (их кинетическая энергия преобразуется в тепло). По его оценкам, Солнце не могло за счет этого светить 100 млн лет и, тем более, 500 млн лет. Он также оценил, что Солнце остынет примерно через миллион лет, что было весьма неприятно. Эти цифры дали и верхний предел для возраста Земли, совпадающий с независимыми оценками Кельвина.

Кельвин указывал, что его оценка в 100 млн лет для Солнца противоречит оценке Дарвина в 300 млн лет для Земли. Дарвин уступил и согласился, что подсчеты Кельвина могут быть верны. Однако вскоре конфликт между их оценками углубился: оказалось, что Кельвин переоценил возрасты Земли и Солнца. Его новые вычисления дали 20 млн лет как для Солнца, так и для Земли. При этом предполагалось, что внутренних источников энергии нет, а Земля остыла из расплавленного состояния, когда у нее была максимальная температура. Время остывания до нынешнего состояния дало максимальное значение возраста.

Конфликт длительности остывания с длительностью осадконакопления и разрешение этого спора с помощью радиоактивности.

Вначале последовательность геологических событий определялась по ископаемым остаткам растений и животных. Конкретный тип смеси окаменелостей в слое земли определяет его геологическую эпоху. Границы между разными слоями довольно резкие. Часто можно измерить различные отложения тем же способом, каким определяют возраст дерева, — по кольцам. Таким методом была измерена длительность каждой эпохи — по толщине осадочных слоев. Согласование этих слоев и их границ позволяет выстроить последовательность геологических эпох. Можно измерить современную скорость отложения осадков на дне моря в сантиметрах за год. Затем можно сложить толщину осадков всех известных геологических эпох и, разделив ее на толщину годичного отложения, и определить возраст осадочных пород Земли.

Одновременно с оценками Кельвина, профессор зоологии Оксфордского университета Эдвард Паултон, основываясь на современной скорости отложения осадков, пришел к выводу, что после кембрийского периода прошло около 400 млн лет. А для начала кембрийского периода геолог Джон Гудчайлд получил потрясающую оценку в 700 млн лет. Очевидно, что Земля и Солнце должны быть старше. Так возникло противоречие между возрастом в десятки миллионов лет, о котором говорили физики и биологи, и возрастом в сотни миллионов лет, определенным геологами.

Все эти оценки возрастов были кардинально пересмотрены после создания методов радиохронологии. Эрнест Резерфорд (открывший атомное ядро, см. главу 16) и Фредерик Содди в 1902 году измерили, сколько тепла дает радиоактивное излучение, то есть сколько энергии выделяется из одного грамма радиоактивного вещества. Результат оказался поразительным: один грамм радия дает более чем в тысячу раз больше энергии, чем химическое сгорание одного грамма углерода. Эта идея рождала верное направление мысли, но определенный этим способом возраст вступал в противоречие с мнением лорда Кельвина. В 1904 году Резерфорд выступал с докладом в Королевском институте. В аудитории он заметил Кельвина:

«Я понял, что у меня проблемы с последней частью моего доклада, посвященной возрасту Земли… К моему облегчению, Кельвин часто дремал, но когда я подошел к важному месту, то увидел, что старый ворон сидит, открыв глаза, и смотрит на меня злобным взглядом! Вдруг я почувствовал вдохновение и сказал, что лорд Кельвин ограничил возраст Земли при том лишь условии, что никакие новые источники энергии не будут открыты. И его пророческие слова относились именно к тому, что мы сегодня обсуждаем, — к радию! И вот старик уже приветливо улыбается мне».

Молодой физик утверждал, что Солнце может просуществовать значительно более 20 млн лет, возможно, даже миллиард лет и что Землю не ждет скорая смерть из-за того, что, по мнению Кельвина, Солнце начнет тускнеть. На следующий день газетные заголовки кричали: «День Страшного суда откладывается!»

Оказалось, что радиоактивность может увести нас еще дальше вглубь времен. Рассказывают, что Резерфорд как-то шел по университету с камнем в руке. Он столкнулся с геологом и спросил его: «Адамс, сколько лет Земле?» Тот ответил, что, по измерениям разными методами, около 100 млн лет. К его удивлению, Резерфорд сказал: «Возраст этого камня 700 млн лет». Он только что определил возраст камня, используя скорость распада урана. В 1907 году Бертран Болтвуд измерил возраст различных горных пород и получил значения от 400 до 2200 млн лет. Позже датировка геологических пластов была усовершенствована, и ошибка уменьшилась до 1 млн лет. Мы знаем, что возраст Солнечной системы составляет 4,567 ± 0,001 млрд лет и что Земля примерно того же возраста. В табл. 29.1 приведены скорости полураспада некоторых радиоактивных изотопов, а во врезке 29.1 даны примеры радиоактивного датирования.

Таблица 29.1. Изотопы, используемые при датировке минералов.

Врезка 29.1. Примеры радиоактивного датирования.