Лопнувший миф о палеомагнетизме
Этот очерк Р. Д. Погге впервые был размещен в новостном письме группы Science Against Evolution в декабре 2013.
Лопнувший миф о палеомагнетизме
В этом месяце наш очерк преследует три цели:
- Опровергнуть миф о том, что остаточная намагниченность пород может быть использована для определения возраста геологических формаций (и, как следствие, для датирования окаменелостей).
- Подчеркнуть разницу между наукой и философией.
- Представить простой учебный научный проект, который объясняет полосы с чередующейся магнитной поляризацией в геологических формациях лучше, чем правоверный миф.
Перед чем опровергать упомянутый миф, нужно рассказать о нем.
Многие ученые убеждены, что остаточный магнетизм может помочь установить, когда застыла магматическая порода. Вот начало типичного учебно-практического задания:
Практическое занятие: спрединг морского дна и палеомагнетизм
Общие сведения:
Во время образования магматических пород некоторые минералы в них слегка намагничиваются вдоль магнитного поля Земли. Ученые также открыли, что полярность магнитного поля Земли периодически изменялась: северный магнитный полюс становится южным магнитным полюсом, в то время как южный магнитный полюс становится северным магнитным полюсом. Вместе эти факты служат дополнительным подтверждением тектоники плит. Наблюдаемый в породах на дне океана древний магнетизм, называемый «палеомагнетизмом», можно использовать для определения скорости, с которой раздвигаются тектонические плиты, и, следовательно, времени, когда они начали раздвигаться. Там где плиты раздвигаются в стороны от срединно-океанического хребта, магма из мантии поднимается к поверхности и создает новое океаническое дно. При застывании магмы минералы приобретают намагниченность в соответствии с магнитным полем в то время. При дальнейшем движении плит магнитное поле Земли меняет полярность, и новый материал, формирующийся у хребта, намагничивается в противоположном направлении. [1]
Далее в задании приведены следующие диаграммы, на которых белыми полосами показаны предполагаемые периоды, в течение которых магнитное поле Земли имело противоположную современной полярность:
Приведенные выше диаграммы имеют своей целью показать, когда сформировались различные породы. Породы обозначенные белым цветом образовались, когда северный магнитный полюс находился якобы в Антарктиде. [2]
Это практическое задание посвящено тектонике плит (то есть, времени, которое потребовалось континентальным плитам, чтобы переместиться на их текущие позиции) и не говорит ничего про ископаемые. Однако палеомагнетизм использовался и для датирования ископаемых (в том числе, черепа 5, о котором шла речь в новостном письме от прошлого месяца [3], что и стало толчком к написанию данного очерка).
Ученые измеряют магнитную ориентацию пород над и под окаменелостью. Захоронение окаменелости должно было произойти после отложения нижнего слоя и перед отложением верхнего. Если известно время образования этих двух слоев, можно определить возраст окаменелости. Но если датировки граничных слоев неверны, то и возраст окаменелости неверен.
Мы покажем экспериментально, что нельзя использовать остаточный магнетизм в качестве часов. То есть, остаточный магнетизм не может сказать сколько времени потребовалось для перемещения континентальных плит; его нельзя использовать для определения промежутка времени, прошедшего между отложением слоев пород, лежащих ниже и выше окаменелости.
Давайте отделим науку от философии, факты от домыслов.
Первый шаг научного метода познания – наблюдение.
Параллельные чередующиеся полосы магнитной поляризации были открыты под Атлантическим океаном и в других местах. Это – научный факт. Конечно, этот магнетизм настолько слаб, что требуется специальное оборудование, чтобы его измерить. Ученым нужно очень аккуратно отмечать ориентацию образцов породы перед их извлечением из земли для отправки в лабораторию. Естественно, возможны ошибки из-за небрежности или неправильного обращения. Но наш аргумент – не в этом.
Ряд независимых ученых подтвердил открытие магнитных полос. Поэтому, можно не беспокоиться: явление реально. В этом – сила научного метода. Наблюдения могут проверить разные люди независимыми методами. Мы можем быть уверены в том, что чередующиеся полосы слабой магнитной полярности действительно существуют в природе.
Второй шаг научного метода познания – предложить гипотезу, объясняющую ПОЧЕМУ мы наблюдаем то, что наблюдаем.
Традиционная гипотеза, принятая как факт в вышеупомянутом практическом задании, состоит в том, что магматические породы формировались на протяжении миллионов лет. Когда породы жидкие, магнитно поляризованные минералы ориентируются вдоль магнитного поля Земли. Эта ориентация сохраняется, когда породы отвердевают. Более того, эта гипотеза утверждает, что магнитное поле Земли меняет свое направление раз в миллион лет или около того. То есть, миллион лет назад вместо нынешнего севера компас показывал бы на Антарктиду.
Третий шаг научного метода – разработать эксперимент, чтобы определить, произойдет это или нет. Насколько нам известно, мы первые делаем это.
Четвертый шаг – повторение эксперимента и проверка его другими людьми. Вот здесь наступает ваш черед.
В случае с палеомагнетизмом, описанный научный процесс завершился на стадии гипотезы. «Доказательство» пришло из сферы философии. Некоторые ученые без необходимой экспериментальной проверки подумали, что гипотеза достаточно разумна, чтобы быть истинной.
Какие возможные причины могли привести к спонтанному изменению направления магнитного поля Земли?
Углубленное обсуждение дифференциальных уравнений второго порядка выходит за рамки данного очерка. Довольно будет сказать, что системы второго порядка (то есть, колебательные системы) хорошо изучены инженерами и физиками. Изменения направления магнитного поля Земли не имеют никакого смысла с научной точки зрения.
В каждой колебательной системе известной науке происходит обмен энергией между двумя состояниями. Например, груз на конце нити оттягивают влево, сообщая ему тем самым некоторую потенциальную энергию. Отпущенный груз увеличивает свою скорость пока не достигнет самой нижней точки. Вся потенциальная энергия (энергия высоты) превратилась в кинетическую энергию (энергию движения). По инерции груз продолжает двигаться вправо до полной остановки. Вся кинетическая энергия превратилась в потенциальную энергию. Груз снова начинает двигаться влево, превращая потенциальную энергию обратно в кинетическую. Маятник будет качаться вправо-влево, а кинетическая и потенциальная энергия взаимопревращаться до тех пор, пока вся энергия не израсходуется за счет трения.Чем сильнее трение, тем сильнее затухание, и тем скорее колебания остановятся.
В электрическом колебательном контуре происходят колебания, когда электроны накапливаются в конденсаторе. Конденсатор разряжается через катушку, создавая магнитное поле. Когда уменьшается энергия, запасенная в электрическом поле конденсатора, увеличивается энергия, запасенная в магнитном поле катушки. Электрическое поле конденсатора и магнитное поле катушки обмениваются энергией. Полярности электрического и магнитного полей меняются туда-сюда до тех пор, пока вся энергия не рассеется из-за сопротивления.
Если магнитное поле Земли на самом деле колеблется, изменяя свою полярность (направление) каждый миллион лет или около того, то энергия магнитного поля должна превращаться в другую форму энергии, которая затем расходуется на создание магнитного поля противоположного направления. В какой промежуточной форме может сохраниться энергия магнитного поля Земли? Ни в какой. Поэтому магнитное поле Земли будет естественным образом экспоненциально ослабевать до нуля, но не изменит своего направления.
По нашим ощущениям, философские аргументы против периодического изменения направления магнитного поля Земли гораздо сильнее, чем господствующее соглашение – но мы не хотим спорить о философии. Мы хотим разобраться в происходящем при помощи научного метода познания.
Основной вопрос: «Почему в природе находят чередующиеся полосы слабо намагниченных пород?» Очевидный способ на него ответить – поиграть с магнитами, чтобы посмотреть, как они себя ведут. Мы рекомендуем вам повторить наши эксперименты и самостоятельно определить, в каком порядке магниты располагаются естественным образом. (Пожалуйста, посмотрите на нашем веб-сайтевидеозапись экспериментов. [4])
Мы купили 50 маленьких продольно намагниченных цилиндрических магнитов за $13 (плюс $5 за доставку) у K & JMagnetics, Inc.
Мы получили их сложенными параллельными рядами. К сожалению, на них не было маркировки, указывающей, какой конец является северным полюсом. Было даже не понятно, обращены ли все северные полюса в одном направлении. Поэтому, первым делом мы занялись маркировкой.
Шаг 1
Мы отрезали кусочек губки и положили его плавать в блюде с водой. На губку по одному мы клали магнитики (со случайной ориентацией). Магнит и губка всегда ориентировались вдоль магнитного поля Земли. Этим было экспериментальное потерждено, что свободно вращающийся магнит займет положение вдоль магнитного поля Земли (что отчасти подтверждает упомянутую гипотезу).
Положив магнит на губку, мы наносили немного красного лака для ногтей на тот край магнита, который указывал на север, чтобы можно было отличить северный полюс магнита от южного.
Шаг 2
На обеденном столе мы положили параллельно друг другу два журнала на расстоянии 2,5 сантиметров друг от друга. Поверх журналов мы положили бумажное полотенце, дав ему слегка прогнуться в промежутке между журналами. (Просто для того, чтобы магниты не скатывались со стола.) Когда мы положили первый цилиндрический магнит на бумажное полотенце, он скатился вниз – в углубление между журналами – и остановился там.
Почему это произошло? Из-за тяготения. Чем больше расстояние от предмета до центра Земли, тем больше его потенциальная энергия. Предметы естественным образом скатываются вниз, потому что они естественным образом стремятся к состоянию с наименьшей возможной энергией. Это связано со вторым началом термодинамики. Энергии нравится выравниваться.
Если вы положите кубики льда в стакан с теплой водой, то лед будет нагреваться и таять, а вода – охлаждаться до тех пор, пока весь лед не растает, и температура везде не станет одинаковой. Вода комнатной температуры в стакане не разделится естественным образом на горячую воду и ледяные кубики. Стакан с горячей водой и льдом более «упорядочен» (с энергетической точки зрения), чем стакан с водой, все молекулы которой имеют одинаковую температуру. Второе начало термодинамики утверждает, что при отсутствии внешних влияний упорядоченная система (горячая вода со льдом) превратится в неупорядоченную систему (равномерно теплую воду).
По той же причине, если вы взболтнете стакан с водой и создадите волны, поверхность воды естественным образом выровняется после того, как вы поставите стакан на стол. Вода в стакане не потечет вдруг, без всякой причины, так, чтобы уровень воды в левой половине стал выше, чем в правой.
Энергия не останется разделенной на состояния с высокой и низкой энергией, если ей не будут препятствовать. Вот почему температура выравнивается, а преметы катятся вниз.
Шаг 3
Мы положили второй магнит на бумажное полотенце рядом с первым магнитом. Он скатился вниз и прилип торцом к торцу первого магнита, так что оба северных полюса оказались обращены в одну сторону.
Почему это произошло? По сути, по той же причине, по которой они скатились вниз. Чем больше расстояние между двумя магнитами, тем больше потенциальная энергия. Магнитная сила притягивает их друг ко другу так же, как тяготение тянет все предметы вниз, чтобы израсходовать эту энергию. Магниты естественным образом стремятся к состоянию с наименьшей энергией.
Единственная разница между тяготением и магнетизмом состоит в том, что магнитные силы поляризованы. То есть, северный полюс притягивает южный полюс, но отталкивает другие северные полюса. Тяготение же притягивает все, что обладает массой.
Шаг 4
Мы положили остальные магниты на полотенце один за одним. Скатившись, они сформировали анти-параллельные полосы в складке бумажного полотенца (точно такие же, как полосы магнитно поляризованных пород на морском дне).
Почему это произошло? Магнитное поле Земли не меняло несколько раз направление за те несколько минут, в течение которых продолжался эксперимент. Магнитное поле Земли достаточно сильно, чтобы вдоль него сориентировался магнит, плавающий на губке; но оно слишком слабо, чтобы хоть как-то повлиять на ориентацию магнита вблизи других магнитов (или даже ненамагниченного железа).
Просто чтобы доказать, что магнитное поле Земли тут ни при чем, мы повторили эксперимент, сориентировав складку в бумажном полотенце в направлении не с севера на юг, а с востока на запад. Результаты от этого не изменились.
Магниты естественным образом «слипаются» торцами (с одинаковой ориентацией) и боками (с противоположной ориентацией), потому что в таком состоянии их энергия минимальна.
Выводы:
В наших экспериментах ориентация впадины в бумажном полотенце оказалась не важна: с севера ли на юг, с востока ли на запад или в любом другом направлении. Магнитное поле Земли не играло вообще никакой роли.
В наших экспериментах время, проходившее между добавлением предыдущего магнита и следующего, оказалось не важно. Время было ни при чем. (Единственная причина предполагать возможную зависимость от времени заключается в том, что обсуждаемая гипотеза связывает направление намагниченности с направлением магнитного поля Земли, которое якобы изменяется со временем. Поскольку направление магнитного поля Земли не изменяется со временем, и вообще не имеет значения, то время не имеет значения.)
Нет причин думать, что магниты в природе ведут себя иначе, чем магниты на кухонном столе.
Таким образом, было экспериментально доказано, что ориентация остаточного магнетизма определяется общепризнанным научным принципом – вторым началом термодинамики, согласно которому все системы естественным образом стремятся к снижению энергетических различий – и никак не зависит от времени. В свете этого, миф о том, что благодаря палеомагнетизму можно определить время того или иного события прошлого, ЛОПАЕТСЯ.