ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ВОЗРАСТ ЗЕМЛИ

6. ЧТО ЖЕ МОЖНО СКАЗАТЬ В НАСТОЯЩЕЕ ВРЕМЯ О ПРОИСХОЖДЕНИИ ЗЕМЛИ?

Зложенная нами вкратце история попыток раскрыть тайну происхождения Земли показывает, насколько труден этот вопрос. Мы видели, что приступить сколько - нибудь успешно к его решению стало возможным лишь после того, как в течение тысячелетий была проделана ог­ромная предварительная работа. Только в последнее вре­мя накопленные наукой знания позволили сделать первые серьёзные попытки выяснить хотя бы общий характер процесса, приведшего к образованию планет, а в их числе и нашей Земли.

Когда мощность наших телескопов возрастёт в не­сколько сот раз (а что это со временем осуществится — сомневаться не приходится), то наша задача сильно упро­стится. Тогда мы сможем видеть планетные системы, окружающие ближайшие звёзды. Изучение этих систем, сравнение их между собой, сравнение их с нашей солнеч­ной системой даст, без сомнения, очень много для вы­яснения процесса образования и развития планетных систем.

Но в настоящее время техника не даёт ещё возмож­ности видеть другие планетные системы. Самое большее, на что сейчас можем рассчитывать, — это доказать, что такие планетные системы действительно существуют, что наше Солнце не является исключением. Кое-что в этом направлении уже сделано. За последние годы удалось установить, что некоторые из числа ближайших к нам звёзд испытывают очень небольшие периодические сме­щения. Такие смещения можно объяснить только притя­жением небольших невидимых спутников, обращающихся около этих звёзд. Нужно только заметить, что во всех хо­рошо изученных случаях эти невидимые спутники оказы­вались значительно больше наших планет. Их масса ока­зывалась не меньше чем в 2—3 процента массы звезды, тогда как масса Юпитера — самой большой из наших планет—не составляет и одной десятой процента массы Солнца. Таким образом, пока удалось установить существование систем, ещё не совсем похожих на нашу, хотя, возможно, и не отличающихся от неё принци­пиально.

При этих условиях, т. е. при полной невозможности изучать в настоящее время другие планетные системы, приходится основываться только на том, что нам может дать внимательное исследование свойств нашей солнеч­ной системы, и итти путём построения космогонических гипотез.

За полтораста лет, прошедших со времени появления небулярной гипотезы Лапласа, было предложено много космогонических гипотез. Как ни убедительно выглядели некоторые из этих гипотез при своём появлении, ни одна из них не выдержала продолжительной научной критики. Новые открытия наблюдательной астрономии, с одной сто­роны, детальный теоретический разбор — с другой, ещё и ещё раз показывали, что стоящая перед ними пробле­ма очень сложна и что мы хотя и приближаемся к её ре­шению, но своей цели ещё не достигли.

Конечно, работа, затрачиваемая на создание космого­нических гипотез и на критический анализ этих гипотез, не пропадает даром. Даже отвергнутые наукой гипотезы всё же почти всегда правильно освещали какую-нибудь сторону вопроса, и потому от них остаются отдельные части, которыми наука может воспользоваться в своём дальнейшем развитии. С полной уверенностью можно ска­зать, что наука в вопросе о происхождении Земли нахо­дится на правильном пути, что часть этого пути, быть может, труднейшая, уже пройдена и что мы всё время продвигаемся вперёд.

В настоящее время наука пробует итти двумя разными путями. Возможно, что эти пути в будущем сольются, но пока каждый из них имеет своих сторонников.

Один путь ведёт свое начало от небулярной гипотезы Лапласа, или, вернее, от заложенной в ней мысли, что планеты являются продуктом внутренних процессов, сопутствующих нормальному развитию звезды. Дру­гой путь, напротив, связывает происхождение планет с воздействием на развитие звезды внешних обстоя­тельств.

В основе первого пути лежит убеждение, что процесс образования планет нельзя рассматривать изолирован­но, — его надо изучать как часть неизмеримо более гран­диозного процесса образования звёзд и тех гигантских 24 Звёздных систем, известных под названием галактик, изу­чение которых теперь только начинается. Только поняв процесс развития этих звёздных систем, поняв процесс возникновения и развития отдельных звёзд, образующих эти системы, мы можем, согласно этой точки зрения, узнать, как около звёзд могли возникнуть планетные си­стемы, как могла возникнуть наша солнечная система с присущими ей характерными особенностями и как, нако­нец, среди других планет могла образоваться наша Зем­ля, имеющая также свои индивидуальные особенности.

Не следует думать, что такое расширение задачи де­лает её обязательно более трудной. Часто бывает, что общий процесс понять легче, нежели отдельную часть это­го процесса, рассматриваемую вне связи с целым.

Во всяком случае, для изучения процесса развития зве­зды у нас есть богатейший фактический материл, так как мы имеем возможность изучать огромное количество звёзд, находящихся на самых разнообразных ступенях своего развития. Это позволяет как бы видеть весь путь развития звезды. Ведь для того, чтобы изучить развитие дуба, необязательно посадить жолудь и ждать несколько столе­тий, пока выросший из жолудя дуб разовьётся, начнёт дряхлеть и, наконец, обратится в гниющий пень. Вместо этого можно отправиться в лес, где имеются дубы всех возрастов — от чуть пробивающихся ростков до заверша­ющих свой жизненный цикл деревьев. Вот этим-то путём и идёт наука, изучая развитие звёзд.

Мы знаем, что все звёзды состоят из одних и тех же химических элементов — тех самых, из которых состоит и наша Земля. Но физическое состояние вещества на раз­личных звёздах совершенно различно. Есть очень горячие звёзды, у которых температура наружных слоёв превышает 30 000°. Есть и сравнительно холодные звёзды, излучаю­щие тепло, как тело, нагретое примерно до 2 000°. Наше Солнце имеет промежуточную температуру: его внешние слои нагреты примерно до 6 000°. По направлению к цен­тру Солнца температура быстро возрастает. Теоретические расчёты показывают, что в центре она должна достигать 20 миллионов градусов. Подобное возрастание температуры к центру имеет место во всех звёздах.

Ещё больше различаются звёзды по своим плотностям. Есть звёзды, средняя плотность которых в 40 000 раз больше плотности воды. Но существуют также звёзды, имеющие среднюю плотность в 100 000 раз меньше плот­ности воды (приблизительно в сто раз меньше плотности окружающего нас воздуха). Солнце и здесь находится между этими крайностями: его средняя плотность в пол­тора раза превышает плотность воды.

Чрезвычайное разнообразие физических условий, в ко­торых находится вещество различных звёзд, объясняется, конечно, различием возраста этих звёзд. Но какую же звезду следует считать более молодой и какую более ста­рой? Уверенно ответить на этот вопрос стало возможно только в самые последние годы, когда мы начали пони­мать те процессы, которые происходят на звёздах и под­держивают их излучение. А это, в свою очередь, стало возможным только после того, как физика открыла нам тайны явлений, происходящих внутри атомов.

Весь процесс развития звезды оказался теснейшим образом связанным с так называемыми ядерными реакци­ями, т. е. с превращениями атомов одних химических элементов в атомы других. Оказалось, что основным источником того невообразимо огромного количества энер­гии, которое излучается звёздами (в том числе и нашим Солнцем), является образование атомов гелия из атомов водорода.

Теория ядерных реакций, происходящих в веществе звезды, даёт нам общую картину развития звезды. Ака­демиком В. Г. Фесенковым недавно было указано, что в эту общую картину весьма естественно укладывается и образование у звезды планетной системы. Таким образом, в космогонии открываются совершенно новые возможности объяснить происхождение Земли и планет, если рассмат­ривать их, как продукты нормального развития Солнца, а не как результат катастрофических явлений, вроде столк­новения с другой звездой.

Согласно развитой В. Г. Фесенковым теории, жизнь звезды слагается из сравнительно длительных периодов, в течение которых излучение звезды поддерживается ядерной реакцией определённого типа, и промежуточных сравнительно быстрых переходов к ядерной реакции другого типа. В течение такого промежуточного состояния звезда, вследствие быстрого охлаждения, значительно уменьшит свои размеры, а это значит, что её скорость вращения соответственно возрастёт. Но при большом уве­личении скорости вращения состояние звезды становится неустойчивым, т. е. таким, которое долго сохраняться не может. Что же будет со звездой?

Сначала, по мере увеличения скорости вращения, звез­да будет всё более и более сплющиваться и примет форму, изображённую на рис.1 (стр. 17). Развивая математически гипотезу Лапласа, Рош показал, что при дальнейшем воз­растании скорости вращения вдоль экватора звезды обра­зуется острое ребро (рис. 2, стр. 17), из которого начнёт выбрасываться вещество звезды. Для частиц, находящихся

1 I I

На этом ребре, центробежная сила равна силе притя­жения.

Таким образом, эти частицы становятся «невесомыми» и потому теряют связь со звездой. Это выброшенное вещество и составит, по мнению Роша, то кольцо (рис. 3, стр. 18), которое обратится потом в планету. Так предполагает гипотеза Лапласа. На самом деле, как уже было сказано, выделяющиеся частицы будут постепенно рассеиваться в пространстве и не смогут образовать кольцо.

Но мы теперь знаем, что дело будет происходить таким образом только в том случае, когда звезда имеет очень сильное уплотнение в центре. Если же центральное сгущение не очень велико, то при соответствующем увели­чении скорости вращения звезда, вместо формы, изобра­жённой на рисунке 3, примет грушевидную форму, пока­занную на рисунке 4.

Исследования А. М. Ляпунова доказали, что груше­видная форма вращающейся массы неустойчива. Звезда может иметь такую форму лишь самое короткое время и вслед за этим от неё отделится часть массы (рис. 5). После этого звезда (как бы сбросив с себя тот избы­ток количества вращения, который создавал неустой­чивость) станет вращаться медленнее. Теперь она будет уже в устойчивом состоянии — по крайней мере до тех пор, пока дальнейшее сжатие (вызванное дальнейшим

Охлаждением) не увеличит снова скорость её вращения до критического предела.

Таким образом, в промежутки времени, разделяющие те периоды, когда температура звезды поддерживается ядерной реакцией на постоянном уровне, от звезды будут отделяться массы, из которых в дальнейшем образуются планеты. Так как отделение масс происходит в то время, когда звезда вращается особенно быстро, то к планетам переходит значительная часть общего количества враще­ния. Это находится в полном согласии с указанной выше характерной особенностью нашей планетной си­стемы.

Разработка этой гипотезы только начинается и, ко­нечно, придётся преодолеть ещё очень много трудностей. Нужно, например, показать, что орбиты образовавшихся планет, сначала очень маленькие, могут увеличиться до тех размеров, какие мы наблюдаем в природе. Действие приливов, согласно теории, развитой Джорджем Дарвиным для движения Луны, будет увеличивать орбиты отделив­шихся масс. Но надо ещё показать, что это увеличение будет именно такое, какое нужно для согласования тео­рии с наблюдаемыми фактами.

В самое последнее время академик О. Ю. Шмидт вы­двинул новую космогоническую гипотезу. По своей основ­ной идее она примыкает к катастрофическим гипотезам, 28 Так как рассматривает образование планет не как резуль­тат внутренних процессов, сопутствующих нормальному развитию звезды, а как результат воздействия на разви­тие звезды некоторых внешних обстоятельств.

В основе гипотезы О. Ю. Шмидта лежит использование двух недавно открытых фактов: вращения Галактики и на­личия в межзвёздном пространстве огромных скоплений тёмной пылеобразной материи.

Изучение Галактики, т. е. того огромного собрания звёзд, в состав которого входит наше Солнце, дало за последние годы много новых и неожиданных результатов. Оказалось, что сотни тысяч миллионов звёзд, образующих Галактику, обращаются вокруг её центра подобно тому, как планеты обращаются вокруг Солнца. Наше Солнце участвует в этом вращении, совершая оборот вокруг цен­тра Галактики примерно в 200 миллионов лет. Этот центр Галактики, находящийся в направлении созвездия Стрель­ца, скрыт от нас огромными скоплениями тёмной ма­терии.

Предположим теперь, что Солнце, проходя через цент­ральные области Галактики, пересекло облако тёмной материи и своим притяжением захватило часть этой ма­терии. Захваченные частицы будут вращаться вокруг Солнца приблизительно в одной плоскости. Более крупные частицы будут постепенно присоединять к себе более мелкие, пока этот процесс не завершится образованием планет. Сделанные О. Ю. Шмидтом подсчёты показывают, что рассматриваемая гипотеза хорошо объясняет многие свойства нашей планетной системы.

Итак, в настоящее время наука продолжает внима­тельно изучать несколько различных путей образования планет потому, что если некоторые особенности строения нашей планетной системы лучше объясняются одной гипотезой, то другие особенности естественнее вытекают из другой гипотезы. Всё это указывает только на чрезвы­чайную сложность стоящей перед нами задачи и на то, как ещё много труда нужно будет затратить, чтобы окон­чательно решить вопрос о происхождении Земли. Решение этого вопроса зависит, в первую очередь, от расширения наших знаний об окружающей нас Вселенной. Мы только что видели, как недавние открытия в области атомной фи­зики и звёздной астрономии позволили совсем по-новому рассматривать этот вопрос. Но отсюда не следует, что мы должны отложить вопрос о происхождении Земли, ожидая дальнейших открытий вместо того, чтобы пытаться решать его при помощи тех средств, которые имеются сейчас в нашем распоряжении. Если бы люди были так терпеливы, то наука никогда бы не возникла.

7. ВОЗРАСТ ЗЕМЛИ

Г1 оворя о происхождении Земли, мы должны, конечно, " остановиться и на вопросе о её возрасте. Определе­ние возраста Земли является одной из сложнейших задач, стоящих перед наукой. Только в последние годы откры­лась возможность сколько-нибудь точно оценить те огром­ные промежутки времени, с которыми приходится иметь дело при решении этой задачи. Это стало возможным лишь после того, как физики, изучая явления радиоактив­ности, проникли в тайны строения атомов тех химических элементов, которые образуют нашу Землю. Оказалось, что атомы некоторых элементов являются своего рода часами, очень медленно, но равномерно идущими. Вот эти-то часы и позволили нам впервые составить себе представление о возрасте, по крайней мере, верхних слоёв земной поверх­ности.

Нашему непосредственному изучению доступна лишь незначительная часть Земли. При помощи шахт и буровых скважин человек проник в глубь Земли не больше, чем на два-три километра, что составляет всего три-пять сотых процента земного радиуса. Геология позволяет судить о более глубоких слоях Земли благодаря тому, что горо­образовательные процессы, сминая, разрывая и надвигая друг на друга мощные толщи горных пород, выводят их на поверхность Земли, а размывание дождями и реками глубоко вскрывает строение этих пластов. Это делает для нас доступным изучение пород на глубине до 20 кило­метров, что составляет около 0,3% земного радиуса. О том, каково строение Земли на протяжении остальных 99,7% её радиуса, мы можем судить лишь на основании косвенных данных, доставляемых нам изучением силы тяжести в различных точках земной поверхности, изуче­нием землетрясений и исследованием некоторых других явлений. Все эти данные привели к заключению, что внутренность Земли состоит из трёх главных частей.

1) внешней оболочки, толщиной примерно в 1 200 км, Состоящей из каменных пород;

2) промежуточной оболочки толщиной около 1 700 км;

3) очень плотного ядра, с радиусом около 3 400 км, Состоящего, повидимому, из железа и никеля.

Внешняя оболочка состоит прежде всего из осадочных пород (песок, глина, песчаники, сланцы, известняки и т. п.), покрывающих большую часть земной поверхности слоем, толщина которого доходит местами до 100 км. Этот слой называется земной корой. Под слоем осадочных пород находится слой из гранитов и базальтов, образовавшихся путём остывания некогда расплавленного вещества.

Под внешней каменной оболочкой находится промежу­точная оболочка. Её называют ещё рудной, так как име­ются основания предполагать, что она очень богата же­лезом, хромом, никелем и магнием.

Ещё очень недавно считали, что внутренность Земли имеет такую высокую температуру, что вещество может там находиться только в газообразном состоянии. Такое мнение основывалось на том, что температура в доступ­ных для нашего изучения слоях Земли повышается с глу­биной (примерно на 3° на каждые 100 метров). Допуская, что это повышение температуры продолжается почти до самого центра Земли, находили в центре температуру около 200 000°. Однако, изучение землетрясений показало, что внутренние части Земли реагируют на сотрясения, как твёрдое тело, упругость которого превосходит упругость стали в 2V2 раза. В настоящее время считают, что наблю­даемое нами повышение температуры с глубиной ограни­чивается лишь тонким поверхностным слоем и объясняется не тем, что внутренность Земли очень горяча, а тем, что в поверхностном слое находятся радиоактивные элементы (радий, уран, торий и др.), непрерывно выделяющие теп­ло. Что же касается температуры центрального ядра, то её оценивают теперь всего в 2 000—4 000°. Несмотря на высокую температуру, вещество ядра может обладать свойствами твёрдого тела, так как оно находится под очень большим давлением, доходящим до трёх миллионов атмосфер.

Непосредственное определение возраста, не связанное с той или иной космогонической гипотезой, мы можем производить лишь в отношении самых поверхностных слоёв Земли, так как только эти слои доступны для лабо­раторного исследования.

Первая попытка такого рода была сделана в 1715 году английским астрономом Галлеем, современником Ньютона. Подземные источники, питающие реки, растворяют находя­щуюся в земле соль. Эта соль, унесённая реками в океан, там и остаётся, после того как унёсшая её вода испарится и в виде дождя вернётся в источники и реки. Благодаря такому круговороту воды содержание соли в океане с те­чением времени должно увеличиться.

Галлей предложил определить возраст океана по ко­личеству содержащейся в нём соли. Такие подсчёты, по­вторявшиеся потом многими учёными при помощи более точных данных, дают возраст океана от 90 до 350 мил­лионов лет. Однако, этот способ, основывающийся на весьма шатких подсчётах того количества соли, которое ежегодно уносится реками в океан, не может дать сколь­ко-нибудь точных результатов.

Более надёжные результаты дал геологический метод, основанный на определении толщины осадков. Дожди непрерывно смывают почву в реки, а реки уносят её в море и там отлагают. Такая небольшая река, как Темза, еже­годно выносит в море более двух миллионов тонн песка и глины. Общую толщину осадочных пород, образовавшихся на поверхности Земли за время её существования, оцени­вают в 100 км. Очень трудно найти среднюю скорость образования отложений. По одним подсчётам получается, что для образования слоя отложений, толщиной в один метр, требуется около 3 ООО лет, по другим — около 10 000 лет. Исходя из этих данных, возраст Земли, считая со времени начала образования осадочных пород, полу­чается между 300 и 1 000 миллионов лет. Но главный недостаток этого метода, не позволяющий надеяться на точные результаты, заключается в том, что у нас нет никаких оснований считать скорость образования отло­жений неизменной. В давно прошедшие времена, когда только ещё начиналось образование осадочных пород, условия на Земле были совсем иные, а потому и скорость этого процесса могла быть совсем другой.

Лишь после открытия явлений радиоактивности стали возможны действительно надёжные определения возраста Земли. Сущность этих явлений заключается в том, что атомы некоторых химических элементов (получивших на­звание радиоактивных) находятся в неустойчивом состоянии и распадаются, переходя в атомы других элементов. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не получатся устойчивые атомы, образующие элементы, уже не обла­дающие свойством радиоактивности. Так, например, уран, для которого впервые было открыто (в 1896 г.) это явле - 32 Ние распада атомов, переходит сначала в радий (открыт супругами Кюри в 1898 г.) и в гелий —очень лёгкий газ, впервые открытый на Солнце, а затем и найденный на Земле. Гелий дальнейшим изменениям не подвергается. Радий же, в свою очередь, является радиоактивным эле­ментом, и его атомы продолжают распадаться, пока, нако­нец, не получатся атомы свинца. Распад атомов радия происходит значительно быстрее, нежели атомов урана. Через 1 500 лет грамм радия превращается в полграмма радия и почти полграмма свинца. Таким образом, конеч­ными продуктами превращения урана являются свинец и гелий. Свинец, образовавшийся из урана, обладает теми же химическими свойствами, что и обычный свинец, но имеет слегка другой атомный вес (206,0 вместо 207,1). Это и даёт возможность отличить его от свинца иного происхождения.

Процесс превращения урана в свинец и гелий происхо­дит крайне медленно. Если мы возьмём килограмм урана, то через 66 миллионов лет один процент, т. е. всего 10 граммов, урана превратится в 8,65 грамма свинца и 1,35 грамма гелия. В течение следующих 66 миллионов лет один процент оставшегося урана, т. е. 9,9 грамма, превра­тится в 8,564 грамма свинца и 1,336 грамма гелия. В следующие 66 миллионов лет один процент оставшегося урана, т. е. 9,801 грамма, в свою очередь, превратится в 8,478 грамма свинца и 1,323 грамма гелия, и т. д.

Самым замечательным является то, что скорость этого процесса, т. е. скорость распада атомов радиоактивных веществ, не зависит от тех условий, в которых вещество находится. Соответствующие опыты показали, что как при температурах, близких к абсолютному нулю (—273° по Цельсию), так и при температурах в несколько тысяч градусов распад атомов происходит одинаково быст­ро. Точно так же на быстроту распада атомов не влияет и повышение давления до десятков тысяч атмосфер.

Таким образом, определив в какой-либо горной породе количество свинца, образовавшегося из урана, мы можем высчитать возраст этой породы, т. е. число лет, протекших С того момента, когда она застыла. Такой способ годится, конечно, только для определения возраста твёрдого веще­ства, так как в жидком и газообразном состоянии свинец, получающийся от распада урана, может покидать место своего образования.

Этот способ определения возраста дал для более молодых горных пород, образующих верхние слои Земли, результаты, прекрасно согласующиеся с теми оценками их относительного возраста, которые делали геологи, ис­ходя совсем из других соображений. Применяя этот способ к самым древним породам, получили для их возраста чис­ла от 1 500 до 3 500 миллионов лет. Мы можем, следова­тельно, утверждать, что твёрдая оболочка Земли образо­валась около трёх миллиардов лет тому назад.

Изучение явлений радиоактивности ещё только на­чинается. Но мы уже знаем, какую важную роль эти яв­ления играют в природе. Превращение одних химических элементов в другие, сопровождаемое огромным выделением энергии, является одним из основных мировых процессов. Этот процесс даёт то огромное количество света и тепла, которое испускается Солнцем и звёздами на протяжении многих миллиардов лет. Роль радиоактивных веществ в жизни нашей Земли только ещё начинает выясняться, но не подлежит сомнению, что она очень велика.

Во всяком случае, в явлениях радиоактивности, так широко распространённых в природе, что нет уголка Зем­ли, где бы мы не могли открыть следов распадающихся атомов, уже найдены превосходные часы для измерения прошлого.