"هیچ کس جرأت نداشت نتایج او را زیر سوال ببرد": چگونه ترمودینامیک بحث داغی را در مورد سن زمین در قرن نوزدهم برانگیخت.

در دهه 1950، کلر پترسون، ژئوشیمیدان آمریکایی، یافته هایی را ارائه کرد که نشان داد زمین حدود 4.55 میلیارد سال قدمت دارد. شواهد او بر اساس تجزیه و تحلیل ایزوتوپی سرب بود که او برای محاسبه سن شهاب سنگ Canyon Diablo که در سال 1891 در آریزونا کشف شد، استفاده کرد. این نتیجه اکنون به عنوان سن سیاره ما به طور گسترده پذیرفته شده است، اما ساخت این اکتشاف مدت طولانی بود.

سن واقعی زمین موضوع بحث های زیادی در میان دانشمندان در قرن نوزدهم بود. و به جای اینکه زمین شناسان سکان هدایت را در دست بگیرند، این فیزیکدانان بودند که متوجه شدند این توپ سنگی غول پیکری که ما روی آن زندگی می کنیم باید بسیار قدیمی تر از هزاران سالی باشد که در قرن های قبل تصور می شد. دلیل اصلی آنها گرما بود.

کریستف گالفارد، نویسنده و فیزیکدان، در این گزیده از «این زندگی است: سفری از درون بدن شما به فراتر از زمین» (انتشارات دانشگاه شیکاگو/پیکادور، 2026)، به پیشرفت در میان دانشمندانی می‌پردازد که به این موضوع پی می‌بردند که ترمودینامیک قطعه‌ای ضروری از این معمای دیرپای است.

حدود دو قرن و نیم پیش، پیشروترین متخصصان مسائل علمی یک یا دو چیز را در مورد گرما می دانستند. به عنوان مثال، آنها می دانستند که چگونه گرما می تواند از مکانی به مکان دیگر منتقل شود. علم جدیدی از این دانش در شرف ظهور بود، علمی به نام ترمودینامیک که در یونانی به معنای "حرکت گرما" است.

ترمودینامیک یک نیرو نیست. این بیشتر شبیه یک کتاب راهنما است، مجموعه‌ای از قوانین که برای بزرگ‌ها اعمال می‌شود

تعداد ذرات وقتی به هم می رسند این به ما انسان ها راهی می دهد تا بفهمیم ذرات وقتی تعداد زیادی از آنها وجود دارد چگونه رفتار می کنند بدون اینکه نیازی به مراجعه به هر یک از آنها جداگانه باشد. این به ما نشان می دهد که چگونه خواصی که به خودی خود وجود ندارند، وقتی که بسیاری از ذرات با هم هستند، به وجود می آیند. این کتاب به چیزهایی می پردازد که ما آنها را پدیده های نوظهور می نامیم، مانند گرما و فشار، و «بیشتر متفاوت است» [فیلیپ] اندرسون سعی در معنا بخشیدن به آنها دارد.

درک پویایی گرما برای دانشمندان قرن نوزدهم معنی زیادی داشت - به طوری که بسیاری در آن ریشه های فلسفه ای را دیدند که آنقدر جهانی و قدرتمند بود که فکر می کردند باید ما را در تمام زندگی مان راهنمایی کند. برخی حتی تا آنجا پیش رفتند که معتقد بودند گرما منبع زندگی ابدی است. یک دانشمند برجسته آنقدر متقاعد شد که این چنین بود که خود را در خانه خود حبس کرد و آن را بیش از حد گرم کرد و به این ترتیب خود را از همه بیماری های مرگبار (از جمله پیری و مرگ) محافظت کرد.

این تجربه برای مهمانان گاه و بیگاهی که به دیدار او می‌آمدند، شکنجه‌ای واقعی بود، نه به همسرش که مجبور بود شبانه روز آن را تحمل کند.

با این حال، این دانشمند به اعتقاد خود پایبند بود و برای گرمتر نگه داشتن خود، لایه به لایه لباس روی هم انباشته کرد. متأسفانه، انبوه حرکت را دشوار کرد و او در نهایت یک پله از راه پله خود را از دست داد و بر اثر سقوط جان باخت.

به عنوان یک رشته علمی، ترمودینامیک با کتابی متولد شد که در سال 1824 توسط یک فیزیکدان 27 ساله فرانسوی به نام نیکولا لئونارد سادی کارنو نوشته شد، که همانطور که توضیح می داد چگونه گرما می تواند کار کند، به همه می گفت که موتور بخار چگونه کار می کند.

لرد کلوین در سال 1899 در دانشگاه گلاسکو سخنرانی می‌کند. (اعتبار تصویر: گروه یونیورسال تصاویر/گتی ایماژ) با دید کارنو، نحوه سرد شدن اجسام داغ شروع به درک کرد و این امید را ایجاد کرد که حل یک مشکل خاص ممکن است قریب الوقوع باشد: تعیین سن زمین. اگر بخواهیم حدس بزنیم سیاره ما در بدو تولد چقدر داغ بوده است، می‌توان از ترمودینامیک استفاده کرد تا به ما بگوید چقدر زمان برای سرد شدن سیاره به دمای فعلی‌اش گذشته است. بسیاری از دانشمندان آن را امتحان کردند و مشتاق بودند که اولین کسی باشند که سن واقعی جهان ما را نشان می دهد.

با توجه به اینکه سیاره ما در تمام پیچیدگی هایش بسیار دشوار است، ساده سازی ها لازم بود و فیزیکدان بریتانیایی ویلیام تامسون ابتدا با تصویر کردن جهان ما به عنوان یک توپ، شلیک کرد. یک توپ بسیار ساده و صخره‌ای که تقریبا از یک چیز در سرتاسر، از سطح تا هسته ساخته شده است. بدون اقیانوس، بدون کوه، فقط یک توپ صاف به اندازه زمین. او سپس محاسبه کرد که چقدر طول می کشد تا از گرمای سرخ تا دمای فعلی خنک شود و اعلام کرد که زمین چیزی بین 40 تا 400 میلیون سال قدمت دارد.

او پس از اصلاح محاسبات خود اعلام کرد که جهان 100 میلیون سال قدمت دارد و سپس دوباره به 40 میلیون سال رضایت داد.

نتیجه تامسون با سن واقعی زمین مطابقت ندارد، اما شروعی بود. این نتیجه یک مدل بود، تلاشی برای کشف چیزی در مورد جهان ما با استفاده از قوانین هنوز اصلاح نشده و حس ریاضی. مشکل سازتر این بود که هیچ کس جرات نمی کرد نتایج او را زیر سوال ببرد. حتی زمانی که از یک کاغذ به کاغذ دیگر می رفت، سن زمین که توسط تامسون ارائه شده بود همیشه به عنوان سن مناسب مورد استقبال قرار می گرفت. دلیل این امر این است که در پایان قرن نوزدهم تامسون لرد کلوین شده بود.

همان کلوین که واحد کلوین دمای مطلق به نام او نامگذاری شده است. یک سوپراستار علمی که این قدرت را داشت که با یک ضربه انگشت، حرفه هرکسی را که با او مخالف بود خنثی کند.

لرد کلوین یک فیزیکدان بود نه یک زمین شناس، بنابراین زمین شناسان می توانستند کار او را زیر سوال ببرند، اما این کار را نکردند. در واقع آنها اذیت نشدند. بسیاری از آن‌ها در آن زمان معتقد بودند که زمین‌شناس بودن به شهود و زبان انگلیسی مناسب مربوط می‌شود، زبانی که به نظر آن‌ها بسیار کارآمدتر از هذیان‌های ریاضی است.

همانطور که گفته شد، و هر چقدر هم که نتایج اشتباه باشد، محاسبات کلوین زیبا بود، و به هر کسی که می‌خواست در مورد مشکل سن زمین فکر کند راهی به جلو می‌داد، دقیقا همان کاری که یکی از شاگردان سابقش، جان پری ایرلندی شمالی، انجام داد. او فکر کرد که کلوین چیزی را نادیده گرفته است. پری به عنوان یک مرد علم که با مربی سابق خود (و ارائه دهنده کار) صحبت می کرد، دیدگاه خود را برای کلوین توضیح داد اما نادیده گرفته شد.

جان پری، یکی از شاگردان کلوین، که متوجه شد زمین میلیاردها سال سن دارد - و گوشته آن مایع است، نه جامد. (اعتبار تصویر: کتابخانه عکس علمی) با این حال، او افکار خود را در Nature منتشر کرد. اما باز هم مقاله نادیده گرفته شد. نه تنها توسط کلوین، بلکه توسط جامعه علمی در کل، از جمله زمین شناسان.

اگر اینطور نبود، برای همه ما زمان کمی صرفه جویی می شد، زیرا پری نه تنها راه درست تری برای تصویربرداری از زمین و تخمین سن آن نسبت به کلوین پیدا کرد، بلکه منبع قدرتی را نیز پیدا کرد که قاره های سیاره ما را به حرکت در می آورد.

پری در مدل خود، زمین را از سطح تا هسته به طور یکسان با کلوین تصور نمی کرد. در عوض، او فضای داخلی زمین را به سه ناحیه تقسیم کرد: یک هسته فلزی در مرکز آن، یک پوسته جامد در سطح آن، و یک گوشته که بین این دو قرار دارد. به طور غیرمنتظره ای، پری مانتو را آنطور که بقیه تصور می کردند تصور نمی کرد. او معتقد بود که مانند سنگ جامد نیست، بلکه مانند یک مایع است.

جای تعجب نیست که استاد سابقش او را جدی نگرفت. با این حال، او رفتار گوشته را تنها زمانی که در مدت زمان طولانی در نظر گرفته شود مانند یک مایع است. او که بین یک هسته داغ و یک پوسته سردتر که بسیار شبیه یک درب بود قرار گرفته بود، او معتقد بود که گوشته چاره‌ای ندارد جز اینکه مانند آب در یک تابه گرم شده رفتار کند، با داغ‌ترین قسمت‌ها در پایین بالا و سرد شود، قبل از شیرجه زدن به پایین و بالا آمدن دوباره، در حلقه‌های مکرر، البته با حرکت بسیار آهسته. این نوع حرکت همرفت نامیده می شود و در جامدات نیز اتفاق می افتد.

انحصاری Live Science Pro

آیا قبل از انفجار بزرگ وجود داشت؟ جیم الخلیلی درباره گیجی زمان

"این همان چیزی است که با کلود و من اتفاق افتاد": تلاش ناموفق هوش مصنوعی برای شکستن فرضیه ریمان، ریاضیدان را به یک پیشرفت سوق داد.

"هر چیزی که ما در مورد سفر فضایی می دانیم ظرف یک دهه تغییر خواهد کرد": پیشرفت در همجوشی که می تواند مسیری به سوی ستاره ها را باز کند.

اگر حق با او بود، دو عواقب فوری داشت. اولین مورد این بود که مدت زمانی که طول می کشد تا سطح سیاره ما از گرمای سرخ به دمای فعلی خنک شود، اکنون می تواند بسیار بیشتر از آن چیزی باشد که کلوین تخمین زده بود. درپوش و الگوهای همرفت مانع از تابش سریع تمام انرژی سیاره ما به فضا شد، بنابراین ما اکنون در زمینی زندگی می‌کنیم که می‌تواند به 2 یا 3 میلیارد سال عمر کند. شاید حتی بیشتر. چنین مقیاس های زمانی در جامعه علمی بی سابقه بود. در آن زمان هیچ کس نمی دانست که خود کیهان 13.8 میلیارد سال سن دارد.

آنها تقریبا هیچ چیز نمی دانستند.

دومین نتیجه مدل پری این بود که حرکات دایره ای گوشته در زیر پوسته می تواند خود پوسته را از طریق اصطکاک بکشد. سپس سطح جامد جهان ما حرکت می‌کند و به قطعاتی تقسیم می‌شود که می‌چرخد، و با هم برخورد می‌کنند، و در زیر یکدیگر فرو می‌روند - یا روی هم می‌لغزند. در جایی که آنها با هم برخورد می کردند، رشته کوه هایی مانند آلپ، هیمالیا، کوه های راکی ​​بالا می رفتند. . . جایی که آنها از هم جدا می شوند، شکاف هایی ظاهر می شوند، احتمالا در وسط اقیانوس ها، در امتداد پشته ها. . . درست مانند آنچه [ماری] تارپ پیدا کرده بود.

امروزه، این قطعات شکسته شده از سطح سیاره ما همه نقشه برداری شده اند. آنها صفحات جهان ما هستند و حرکات آنها در طول زمان تکتونیک صفحه ای نامیده می شود. امروزه بیشتر ما در مورد تکتونیک صفحات شنیده ایم. با این حال، در آن زمان هیچ کس نداشت، و اگر امروزه تعداد کمی از مردم پری را به یاد می آورند، به این دلیل است که یک پیشرفت علمی دیگر تخمین سن زمین را بسیار ساده تر و دقیق تر کرد و به ما نشان داد که جهان ما 2 یا 3 میلیارد سال نیست، همانطور که پری پیشنهاد کرد، بلکه دقیقا 4.567 میلیارد است، چند میلیون بده یا بگیر.

با مجوز This Is Life: A Journey from Inside Your Body to Beyond Earth اثر کریستف گالفارد، چاپ شده توسط انتشارات دانشگاه شیکاگو در آمریکای شمالی و پیکادور در بریتانیا. © 2026. کلیه حقوق محفوظ است.

به ما در بهبود Live Science Pro کمک کنید: ما همیشه در تلاش هستیم تا محتوای خود را بهتر کنیم. نظرات خود را در مورد Pro در اینجا برای ما بگذارید.

انتشارات دانشگاه شیکاگو این زندگی است: چگونه علم کیهان چیستی ما را توضیح می دهد

در این کتاب غوطه‌ورکننده و ذهن‌پرور، فیزیک‌دان تحسین‌شده کریستف گالفارد شما را به ماجراجویی می‌برد که شبیه هیچ‌کس دیگری نیست تا به این سؤال اساسی پاسخ دهید: زندگی چیست؟ شما در زمان سفر خواهید کرد تا شاهد برخورد سیارکی فاجعه‌باری باشید که دایناسورها را محکوم کرد، نیروهای پرآشوبی را که سیاره ما را شکل داده‌اند تجربه کنید، و کشف کنید که چگونه اولین تکان‌های حیات از ماده بی‌جان پدید آمدند.