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為什麼物理學家最初拒絕達爾文的理論?

1859年,人類歷史上最有影響力的著作之一,查爾斯·達爾文的《物種起源》出版。而且雖然不是達爾文在書中表達的理論的所有規定在未來都會得到證實,這並不奇怪,但基本上達爾文叔叔是對的,今天的進化論主導了科學。但在這本書出版時,達爾文受到了廣泛的批評。對於許多生物學家來說,物種可以由於數百萬年累積的隨機突變而改變的想法似乎很瘋狂。聖經的支持者也攻擊達爾文,因為他的理論否認了“神聖創造者”的角色。所有這些批評都是可以理解的,甚至是意料之中的,但達爾文沒想到的是物理學家會攻擊他,其中包括受人尊敬的開爾文教授(以他的名義獲得經典溫標)。

值得從遠處開始——用科學的方法,以便更好地瞭解整個故事的時間。為了解釋一組觀察到的現象,科學家們提出了描述它們的假設和理論。理論的正確性應該得到它所預測的一些結果的證實,我們可以在實驗過程中加以驗證。理想情況下,應該有幾個獨立的實驗,以儘量減少出錯的機會。如果一切趨於一致並且大多數科學家接受該理論,它就會在科學界佔據主導地位,並且如果有足夠的證據,它就可以成為法律。但法律並不是永遠固定不變的,也不是一成不變的。任何理論或法律都有其難以描述或預測的弱點,因此,如果出現一種能夠更好地完成這一切的新理論,那麼它將成為新的主流。因此,科學一直在努力尋找更成功的理論,以更好地描述與它們相關的所有觀察到的效應。而在 19 世紀,當每十年發現一個新的知識領域時,就會發生一場真正的理論戰爭。這並不總是公平的。

對科學家來說,人類沒有什麼是陌生的。例如,自我重要性感。而威廉·湯姆森,開爾文男爵,無疑是個天才,完全有理由不屑一顧。22 歲時(1846 年),他已經在格拉斯哥大學擔任理論物理學教授。對熱力學著迷,在如此年輕的時候,他透過制定熱力學第二定律在全世界為自己榮耀,並與熱力學的另一位傑出人物 - 焦耳合作以改進理論。困擾開爾文的謎題之一是太陽。由於天文學家的工作以及將力學原理和引力理論應用於天體,我們已經知道了天空中燃燒球的巨大尺寸。但是是什麼讓它變得如此溫暖,又什麼讓它不冷卻下來,因為根據熱力學,

當然,最早的理論之一是,像煤這樣的東西在太陽內部不斷燃燒,但計算表明,在這種情況下,太陽早就應該燃燒殆盡了。開爾文專注於另一個假設。焦耳在 1843 年證明,當兩個物體碰撞時,這種碰撞的能量可以轉化為熱能。但是,如果隕石每天都落在太陽上,讓它的外殼變暖呢?開爾文喜歡這個想法,他進行了計算,為了讓太陽輻射出地球上記錄的儘可能多的熱量,同時考慮到以太中的散射(是的,宇宙空虛的深淵還沒有被髮明出來) ,每小時有 45 噸石頭落在其表面。然而,這裡一下子就出現了幾個問題:
1)太陽系哪裡來的這麼多隕石穩定地落在太陽上?
2)如果我們把每年落在太陽上的石頭的數量加起來,那麼它們的質量應該已經改變了重力。

所有這一切都可以透過水星和太陽之間的某個小行星帶來解釋,天文學家出於某種原因看不到這些小行星。這樣的解釋,因此,開爾文很快就對這個理論失去了興趣。但是另一個物理學家提出了一個新想法,他的姓氏很有趣,很多人都在學校上課時很熟悉——亥姆霍茲。1856年,他提出太陽根本不會發光,因為它的物質燃燒或隕石的下落,而是因為它在自身重力的影響下不斷壓縮,因此它被加熱. 這個想法非常美好。最重要的是,知道太陽的大致大小,就可以計算出它什麼時候會縮小到停止發光的程度。1862 年,開爾文計算表明太陽最多可以存在 20 到 1 億年。鑑於當時的物理學知識,這些結果是相當充分的。

另一個與太陽年齡直接相關的問題是地球年齡。即便如此,科學家們仍然相信,在遠古時代,地球是一顆熾熱的熔岩星球。開爾文假設最初它具有一定的有限能量,後來由於地殼的冷卻而被浪費了。根據開爾文的說法,凝固後的地球是一個具有冷殼和熱中心的固體均質球。由於導熱性,熱核心不允許表面完全冷卻,將初始熱量的殘餘浪費在此上。因此,如果我們根據深度測量溫度的變化,那麼我們可以以一定的精度估計核心的溫度和行星的冷卻速度。在不同地方進行的地質測量表明,腸道溫度每公里變化35°C。考慮到地球內部結構同質性的假設,地核的溫度在 4000 到 5000°C 的範圍內。因此,考慮到地球表面在開始時溫度相同的假設,地球的年齡在 20 到 4 億年之間。所有這些結論都發表在 1864 年的著作《論地球的長期冷卻》中。

再一次,最初的假設和支援計算與物理學家當時的想法完全一致。而且開爾文的權威如此之高,以至於幾乎沒有物理學家敢於暗示他可能是錯的。例如,開爾文字人不允許這樣的想法。此外,他對太陽和地球最大年齡的計算非常吻合。只有兩個細微差別。首先是開爾文自 40 年代以來一直與之交戰的討厭的地質學家。這些怪胎否認物理學的力量,並聲稱他們更瞭解地殼的內部過程,而且他們說這些過程的持續時間遠遠超過幾百個世紀。而且由於地質學需要數十億年,這意味著物理學家根本不知道一些事情並做出錯誤的計算。開爾文在其他物理學家的支援下,粉碎了地質學家,並普遍批評科學家堅持“他們的幻想”。地質學家無法真正解釋,鑑於地球存在了數十億年,考慮到冷卻造成的持續損失,能量守恆定律如何得以實現,因此他們不得不忍受。

只是欣賞討論的水平:
“18 年來,我一直被這些地質學家忽視熱力學基本原理的想法所困擾,他們頑固地反對各種瘋狂的假設。他們斷言,不僅地球上正在發生各種行動的例子,因此它的外殼在地質歷史的過程中發生了變化,而且這些行動作為一個整體從未像現在這樣激烈。

當達爾文的書落入開爾文手中時,直接指出進化過程需要數億年,如果不是數十億年的話,這位可敬的科學家貪婪地攻擊了另一位科學愛好者。開爾文的批評對達爾文來說是一個沉重的打擊。他沒有理由反駁“物理學天才”的觀點,他在地質學家和物理學家(當時科學界還很小)中的少數朋友也詆譭了開爾文。由於他的理論存在如此重大的漏洞,在新版本的《物種起源》中,達爾文被迫壓縮時間,加速了物種的進化,但即使有這樣的假設,1億年的年齡限制也無法與達爾文的估計。

到 1870 年代,出現了一種自相矛盾的情況,兩種科學理論——地質學家和生物學家,預測了地球的一個年齡,而物理學家——則完全不同。此外,所有三種理論都完全符合其科學領域的知識水平。不過很明顯,其中一個還是錯的,但開爾文的權威並沒有讓太多人懷疑物理學家理論的正確性。開爾文可以允許的唯一撤退是將地球和太陽的年齡增加到 4 億年,因為可能存在無法解釋的錯誤,但地質學家和生物學家都沒有足夠的時間讓他們的理論充分發揮作用。

然後開爾文承諾用另一種方法一勞永逸地證明廉價科學的錯誤。他想出了一個絕妙的主意:由於地球在其初始液相期間的自轉,它應該從兩極形成一個扁平的形狀,在凝固過程中這個形狀應該是固定的而不是改變的。球的形狀和地球的實際形狀之間的差異可以用來估計地球的初始旋轉速率。由於月球的影響,它的引力會減慢地球的速度,目前的自轉速度將與原來的不同。將這些速度與對月球引力對地球影響程度的估計進行比較,可以非常近似地計算出地球的年齡。

這個想法非常漂亮,基本假設與當前的知識水平完全一致。儘管 Kelvin 承認由於我們的知識不完善,最終結果會非常不準確,但他確信它會給出 + - 與他的其他計算相同的結果。開爾文只是沒有考慮到一個細微差別——並不是所有的科學家都對偉大而可怕的事物感到敬畏。查爾斯·達爾文的兒子——喬治——是一位優秀的數學家,但仍然不尊重開爾文攻擊他父親的行為。他承諾證明偉大的開爾文在改變地球自轉速度的問題上是錯誤的。他在 1877-1879 年的一系列作品中做到了這一點,在那裡他令人信服地證明了即使地球凝固也會改變形狀,因為它不是無限固體。此外,由於地球的確切結構未知,那麼使用這種方法進行數字年齡估計是完全不可能的。開爾文沒有什麼要掩飾這種批評的,達爾文長老對他的兒子讚不絕口,但問題是這一切並沒有消除開爾文的關鍵主張。

達爾文會死,卻不知道他最嚴重的對手錯了,而且非常糟糕。對開爾文結論的日益懷疑正是在他對地球自轉的徹底失敗之後開始的。一些物理學家同行開始越來越關注這樣一個事實,即科學家不應忽視相關領域的不便事實,而應努力尋找令大家滿意的解釋。開爾文只是繼續重複他的計算是正確的,因為熱力學是正確的。具有諷刺意味的是,對開爾文的第一個打擊來自他自己的助手約翰佩裡。他假設均勻固體地球的想法是錯誤的。佩里根據地質學家的資料提出,在地球內部溫度的影響下,它的核心可以是液態的,這意味著熱量不僅可以透過導熱性傳遞,

開爾文沒想到會有這樣的打擊,因此進行了粉碎性的攻擊。在1896-1897年的演講中,他不僅猛烈抨擊佩裡,還開始再次詆譭地質學家和進化論者,還對地球的年齡提出了新的估計——只有2400萬年。但權威的魔力已經不夠了——許多開爾文的老支持者也開始懷疑他的計算,因為地質學家和進化論者年復一年地收到了更多證明他們自己正確性的證據。開爾文也無法真正反駁佩裡的假設,但佩裡也無法證實他的假設,因為令人信服的證據要在半個多世紀後才會出現。

但是在這裡,開爾文受到了第二次打擊,甚至更強大,而且來自完全出乎意料的一面——皮埃爾·居里在 1903 年發現放射性物質在衰變過程中會放熱,從而終結了能量守恆定律的理解。開爾文。放射性物質可以長時間為地球內部提供熱量,阻止它冷卻並破壞開爾文和其他熱力學家的所有計算。1907 年岩石放射性同位素測年的出現進一步打破了開爾文理論的基礎。儘管如此,這位偉大的科學家仍然堅持,因為他有第二個鐵定論點——太陽時代。1907 年,當他去世時,這個問題從未結束,在開爾文的支持者繼續與地球日益增長的年齡作鬥爭之後。

為什麼物理學家最初拒絕達爾文的理論?

開爾文無疑是偉大的,他對熱力學的貢獻是無價的,但他的固執,不願聽批評,以及與其他科學有關的某種物理法西斯主義,他的害處不亞於他的好處。要求他的對手遵循科學方法,同時他自己並不總是遵循他們,拒絕一切不符合他的理論的東西。結果,這位偉大的科學家坐在了一個大水坑裡,但在此之前,他透過對科學真理的討伐成功地破壞了許多職業。

分類: 健康
時間: 2022-02-19

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