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Eine heiße junge Erde: Meine Antwort auf die jährliche Edge-Frage

Anonim

Der Literaturagent und Wissenschaftssalonist John Brockman stellt jedes Jahr eine Frage zur Wissenschaft und erhält eine Fülle von Antworten von Wissenschaftlern, Schriftstellern und anderen Leuten. Die diesjährige Frage ist

WAS IST DEIN LIEBLINGE, ELEGANTE ODER SCHÖNE ERKLÄRUNG?

Brockman erhielt 187 Antworten mit insgesamt 126.700 Wörtern. Ein Buch, sagst du! Nun, wenn dieses Jahr wie das vorherige ist, werden die Antworten dieses Jahres tatsächlich zu einem Buch. Aber in der Zwischenzeit können Sie die Antworten selbst durchsuchen und vielleicht die Ihrer Lieblingsleute herausgreifen. (Fellow Discover, Blogger-Kosmologe Sean Carroll, wählt beispielsweise Einsteins Erklärung der Schwerkraft.)

Ich fand die Frage dieses Jahres besonders zum Nachdenken anregend. Warum nennen wir eine Gleichung oder eine Theorie "schön"? Sie haben keine schönen braunen Augen. Sie sind keine Wüstenlandschaften. Ich bin mir der Antwort nicht sicher. Wissenschaftliche Erklärungen scheinen schön zu sein, wenn sie auf engstem Raum zu verwirrender Komplexität führen. Oder vielleicht mögen wir einfach das Gefühl, das wir bekommen, wenn wir überlegen, wie unser winziger Mensch das Universum interpretieren kann.

Für viele Physiker scheint die Schönheit einer Gleichung ein guter Hinweis darauf zu sein, dass sie wahrscheinlich stimmt. Aber ich bin der Schönheit als Leitfaden für die Natur immer ein wenig misstrauisch gegenüber. Eine Reihe von Mitwirkenden wählte Darwins Evolutionstheorie als ihre bevorzugte Erklärung, und es besteht kein Zweifel, dass sowohl schön als auch wahr ist. Aber es gibt wundervoll schöne Berichte über die Natur, die sich als unglaublich falsch herausgestellt haben. Ich wurde daran erinnert, als ich an einer neuen Version meines Evolutionslehrbuchs arbeitete (dies für Biologie-Majors). Ich recherchierte neu, wie Wissenschaftler das unermessliche Alter unseres Planeten zu schätzen wussten, und erkannte, dass es etwas komplizierter war, als ich es früher eingeschätzt hatte. Das war also meine Antwort, die ich hier vollständig abdrucke:

Eine heiße junge Erde: Ohne Frage schön und erstaunlich falsch

Vor rund 4, 567 Milliarden Jahren brach eine riesige Staubwolke in sich zusammen. In der Mitte der Wolke begann unsere Sonne zu brennen, während die äußeren Staubkörner zusammenklebten, während sie den neuen Stern umkreisten. Innerhalb einer Million Jahre waren diese Staubklumpen zu Protoplaneten geworden. Innerhalb von etwa 50 Millionen Jahren hatte unser eigener Planet bereits die Hälfte seiner heutigen Größe erreicht. Je mehr Protoplaneten in die Erde einbrachen, wuchs weiter. Alles in allem hat es vielleicht noch fünfzig Millionen Jahre gedauert, bis er seine volle Größe erreicht hatte - eine Zeit, in der ein Planet in Marsgröße in ihn hineingestürzt ist und ein Zeichen seines Besuchs hinterlassen hat: unser Mond.

Die Bildung der Erde gebietet unsere größte Vorstellungskraft. Es ist ursprünglich großartig. Aber elegant ist nicht das Wort, mit dem ich die gerade skizzierte Erklärung beschreibe. Wissenschaftler haben es nicht aus ersten Prinzipien abgeleitet. Es gibt kein Äquivalent von E = mc2, das vorhersagt, wie die komplexe Gewalt des frühen Sonnensystems einen wässrigen Planeten hervorgebracht hat, der das Leben stützen könnte.

Der einzige Grund, warum wir jetzt so viel über die Entstehung der Erde wissen, ist in der Tat, weil sich die Geologen von einer verführerisch eleganten Erklärung befreit haben, die ihnen vor 150 Jahren aufgezwungen wurde. Es war zweifellos schön und erstaunlich falsch.

Die Erklärung war die Arbeit eines der größten Physiker des 19. Jahrhunderts, William Thompson (alias Lord Kelvin). Kelvins Leistungen reichten vom konkreten (herausfinden, wie man ein Telegraphenkabel von Europa nach Amerika verlegt) bis hin zum abstrakten (ersten und zweiten Hauptsatz der Thermodynamik). Kelvin verbrachte einen Großteil seiner Karriere damit, Gleichungen zu schreiben, mit denen er berechnen konnte, wie schnell heiße Dinge kalt wurden. Kelvin erkannte, dass er diese Gleichungen verwenden konnte, um abzuschätzen, wie alt die Erde ist. "Die mathematische Theorie, auf der diese Schätzungen basieren, ist sehr einfach", erklärte Kelvin, als er sie 1862 vorstellte.

Zu dieser Zeit waren sich die Wissenschaftler im Allgemeinen einig, dass die Erde als Kugel aus geschmolzenem Gestein begann und sich seitdem abkühlte. Eine solche Geburt würde erklären, warum Steine ​​am Boden der Schächte heiß sind: Die Oberfläche der Erde war der erste Teil, der sich abkühlte, und seitdem strömt die im Inneren des Planeten verbleibende Wärme in den Weltraum. Kelvin meinte, dass der Planet im Laufe der Zeit immer kühler werden sollte. Er benutzte seine Gleichungen, um zu berechnen, wie lange es dauern sollte, bis sich eine geschmolzene Kugel aus Gestein mit der beobachteten Wärmeflussrate auf die aktuelle Temperatur der Erde abkühlen konnte. Sein Urteil war kurze 98 Millionen Jahre.

Geologen heulten protestierend. Sie wussten nicht, wie alt die Erde war, aber sie dachten in Milliarden von Jahren, nicht in Millionen. Charles Darwin, der zuerst Geologe und später Biologe war, schätzte, dass es 300 Millionen Jahre gedauert hatte, bis ein Tal in England seine heutige Form erodiert hatte. Darwin argumentierte, dass die Erde viel älter war. Und später, als Darwin seine Evolutionstheorie veröffentlichte, hielt er es für selbstverständlich, dass die Erde unvorstellbar alt war. Dieser Luxus der Zeit bot Raum für die Evolution, um langsam und unmerklich zu arbeiten.

Kelvin war es egal. Seine Erklärung war so elegant, so schön und so einfach, dass es richtig sein musste. Es war egal, wie viel Ärger andere Wissenschaftler verursachten, die die Thermodynamik ignorieren würden. Tatsächlich machte Kelvin den Geologen noch mehr Mühe, als er seine Gleichungen noch einmal anschaute. Er entschied, dass seine erste Einschätzung zu großzügig gewesen war. Die Erde könnte nur 10 Millionen Jahre alt sein.

Es stellte sich heraus, dass Kelvin falsch lag, aber nicht, weil seine Gleichungen hässlich oder unelegant waren. Sie waren fehlerlos. Das Problem lag in dem Modell der Erde, auf das Kelvins seine Gleichungen anwendete.

Die Geschichte von Kelvins Widerlegung wurde in späteren Jahren ein wenig durcheinandergebracht. Viele Leute (ich selbst eingeschlossen) haben irrtümlich behauptet, dass sein Fehler auf seiner Unkenntnis der Radioaktivität beruht. Radioaktivität wurde erst Anfang des 20. Jahrhunderts entdeckt, als Physiker die Quantenphysik ausarbeiteten. Der Physiker Ernst Rutherford erklärte, dass die Hitze, die freigesetzt wurde, als ein radioaktives Atom in der Erde zusammenbrach, es wärmer hielt, als es sonst wäre. Eine heiße Erde musste also keine junge Erde sein.

Es stimmt, dass Radioaktivität Wärme abgibt, aber es gibt nicht genug innerhalb des Planeten, um die aus ihm austretende Wärme zu berücksichtigen. Stattdessen ging Kelvins wirklicher Fehler davon aus, dass die Erde nur eine solide Kugel aus Stein war. In Wirklichkeit fließt das Gestein wie Sirup, seine Hitze hebt es in Richtung der Kruste, wo es abkühlt und dann wieder in die Tiefe sinkt. Dieses Umrühren der Erde verursacht Erdbeben, treibt alte Kruste in die Tiefen des Planeten und erzeugt frische Kruste an den Meeresrücken. Es treibt auch die Wärme mit einer viel höheren Geschwindigkeit in die Kruste, als Kelvin sich vorstellt.

Das heißt nicht, dass die Radioaktivität nicht ihre eigene Rolle gespielt hat, um zu zeigen, dass Kelvin falsch lag. Die Physiker stellten fest, dass der Zerfall des radioaktiven Zerfalls eine Uhr geschaffen hat, mit der sie das Alter von Gesteinen mit exquisiter Präzision abschätzen können. So können wir jetzt sagen, dass die Erde nicht nur Milliarden Jahre alt ist, sondern 4, 567 Milliarden.

Die Eleganz spielt zweifellos eine große Rolle bei der Weiterentwicklung der Wissenschaft. Die mathematische Einfachheit der Quantenphysik ist schön anzusehen. In den Händen von Geologen hat die Quantenphysik die ruhmreiche, unordentliche und sehr unausgelastete Geschichte unseres Planeten ans Licht gebracht.

[Post-script: Dank der Antworten der Leser kann ich sehen, wie verwirrend dieser Aufsatz ist. Ich habe im Kommentar-Thread einige Passagen aus den unten zitierten Beiträgen hinzugefügt, von denen ich hoffe, dass sie ein wenig aufklären können.]

[Update: Eine aktuelle Übersicht über das Alter und die Entstehung der Erde finden Sie in diesem Artikel. Einen großartigen Einblick in Kelvins Werk finden Sie in diesem Artikel in American Scientist oder in dem eher technischen Papier, auf dem es basiert (kostenloses pdf).]

[Bild: Foto vom hawaiianischen Meer - //flic.kr/p/8AyKnC über Creative Commons]

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