Jak věda zjistila stáří Země

Poznámka redakce: Následující text je úvodem ke speciální elektronické publikaci s názvem Determining the Age of the Earth (kliknutím na odkaz zobrazíte obsah). Sborník, který vyšel počátkem tohoto roku, čerpá články z archivu časopisu Scientific American. Ve sborníku se tento úvod objevuje pod názvem „Stumbling Toward an Understanding of Geologic Timescales.“

Aristoteles se domníval, že Země existovala věčně. Římský básník Lucretius, intelektuální dědic řeckých atomistů, se domníval, že její vznik musel být relativně nedávný, vzhledem k tomu, že neexistují žádné záznamy sahající až za trojskou válku. Talmudští rabíni, Martin Luther a další použili biblickou zprávu k extrapolaci zpět ze známé historie a dospěli k poměrně podobným odhadům doby vzniku Země. Nejznámější přišel v roce 1654, kdy irský arcibiskup James Ussher nabídl datum 4004 př. n. l.

Během několika desetiletí začalo podobné uvažování předbíhat pozorování. V 60. letech 16. století formuloval Nicolas Steno naše moderní pojetí ukládání horizontálních vrstev. Vyvodil, že tam, kde vrstvy nejsou vodorovné, musely být od svého uložení nakloněny, a poznamenal, že různé vrstvy obsahují různé druhy zkamenělin. Robert Hooke nedlouho poté navrhl, že fosilní záznam bude základem pro chronologii, která „bude daleko starší než … dokonce i samotné pyramidy“. V 18. století se rozšířilo budování kanálů, což vedlo k objevu vrstev korelovaných na velké vzdálenosti, a James Hutton si uvědomil, že nesrovnalosti mezi po sobě jdoucími vrstvami znamenají, že ukládání bylo přerušeno nesmírně dlouhými obdobími naklánění a eroze. V roce 1788 Hutton formuloval teorii cyklického ukládání a vyzdvihování, podle níž je země neurčitě stará a nevykazuje „žádné stopy po počátku – žádné vyhlídky na konec“. Hutton považoval současnost za klíč k minulosti, přičemž geologické procesy byly poháněny stejnými silami, jaké můžeme pozorovat i dnes. Tento postoj vešel ve známost jako uniformitarismus, ale v jeho rámci musíme rozlišovat mezi uniformitou přírodních zákonů (kterou by přijal téměř každý z nás) a stále pochybnějšími předpoklady uniformity procesu, uniformity rychlosti a uniformity výsledku.

To je pozadí intelektuálního dramatu, které se odehrává v této sérii článků. Je to drama sestávající z prologu a tří dějství, složitých postav a bez jasných hrdinů a padouchů. Konečný výsledek samozřejmě známe, ale neměli bychom dopustit, aby to ovlivnilo naše hodnocení příběhu v jeho průběhu. Ještě méně bychom měli dopustit, aby tato znalost ovlivnila náš úsudek o aktérech, kteří jednali tak, jak jednali ve své době, omezeni tehdejšími pojmy a údaji.

Jedním z význačných rysů tohoto dramatu je role, kterou sehráli ti, kteří sami nebyli nebo nebyli výhradně geology. Nejpozoruhodnější je William Thomson, který byl v roce 1892 nobilitován na lorda Kelvina a jehož teorie tvoří celý oddíl této sbírky. Byl jedním z dominantních fyziků své doby, věku páry. Jeho úspěchy sahaly od pomoci při formulování zákonů termodynamiky až po poradenství při přípravě prvního transatlantického telegrafního kabelu. Harlow Shapley, který na toto téma napsal článek v roce 1919, byl astronom, zodpovědný za detekci rudého posuvu ve vzdálených mlhovinách, a tedy nepřímo i za naši současnou představu rozpínajícího se vesmíru. Florian Cajori, autor článku „The Age of the Sun and the Earth“ z roku 1908, byl historikem vědy a zejména matematiky a Ray Lankester, kterého cituje, byl zoolog. H. N. Russella, autora článku o radioaktivním datování z roku 1921, jsem znal díky jeho podílu na vývoji Hetzsprungova-Russellova diagramu pro hvězdy, ale překvapilo mě, že byl také Russellem Russellovy-Saundersovy spojky, důležité v teorii atomové struktury. H. S. Shelton byl filozofem vědy, kritickým (jak ukazuje jeho příspěvek, článek „Sea-Salt and Geologic Time“ z roku 1915) k volnému myšlení a obhájcem evoluce v diskusích.
Prologem k dramatu je poznání vztahu mezi teplem a jinými druhy energie v polovině 19. století (viz článek „Source of the Sun’s Heat“ z roku 1857). První dějství spočívá v přímém útoku, vedeném lordem Kelvinem, na extrémní uniformitarismus těch, jako byl Charles Lyell, kteří považovali Zemi za neurčitě starou a kteří s velkou prozíravostí (nebo velkou naivitou, záleží na úhlu pohledu: viz třetí díl článku „The Age of the Earth“ (Stáří Země) z roku 1900 od W.J. Sollase), předpokládali, že nakonec budou objeveny fyzikální procesy, které pohánějí velký motor eroze a vyzdvihování.
V druhém dějství dramatu se nová generace geologů dlouhodobě pokouší odhadnout stáří Země na základě pozorování, přijít s odpovědí, která by uspokojila požadavky nově převládajícího evolučního myšlení, a sladit tuto odpověď s omezeními danými termodynamikou. Do třetího dějství vstupuje nově objevený soubor fyzikálních zákonů, jimiž se řídí radioaktivita. Radioaktivita nabídla nejen řešení záhady zásobování Země energií, ale také chronologii nezávislou na pochybných geologických předpokladech a časovou hloubku více než přiměřenou evolučním procesům.

Lord Kelvin a jeho spojenci používali tři druhy argumentů. První z nich se týkal rychlosti ztráty tepla ze Země a doby, za kterou by se vytvořila její pevná kůra. Druhý se týkal takových témat, jako je detailní tvar Země (mírně vyboulená na rovníku) a dynamika soustavy Země-Měsíc. Třetí se týkalo slunečního tepla, zejména rychlosti, jakou se toto teplo ztrácí, ve srovnání s celkovým množstvím původně dostupné energie.

První argument byl zcela zpochybněn po zohlednění množství tepla vzniklého radioaktivním rozpadem. Druhý závisel na velmi pochybných teoriích vzniku Země a Měsíce a v této kompilaci hraje poměrně malou roli. Třetí, který byl ke konci nejpalčivější, představoval problém, který přežil samotný spor. Když tedy Shapley v roce 1919 prohlásil, že pro něj byla radiometrická časová stupnice plně stanovena, přiznal, že dosud neexistuje vysvětlení sluneční energie. (Nemusel čekat dlouho. V roce 1920 přišel s odpovědí sir Arthur Eddington: fúze vodíku na helium.“
V odpovědi na útoky lorda Kelvina použili geologové dvě hlavní argumentační linie. Jedna se týkala hloubky usazenin a doby, kterou by potřebovaly k jejich nahromadění; druhá se týkala slanosti oceánů v porovnání s rychlostí, s jakou je řeky zásobují sodnými solemi. Zpětně se ukazuje, že obě teorie byly z podobných důvodů hluboce mylné. Předpokládaly, že současná rychlost ukládání sedimentů a transportu solí řekami je stejná jako historická rychlost, přestože měly důkazy o tom, že náš věk je obdobím netypicky vysoké geologické aktivity. A co hůř, měřili vstupy, ale ignorovali výstupy. Jak nyní víme, koloběh hornin je řízen deskovou tektonikou, přičemž sedimentární materiál mizí v subdukčních zónách. A oceány se již dávno přiblížily něčemu, co se blíží ustálenému stavu, přičemž chemické sedimenty odstraňují rozpuštěné minerály tak rychle, jak rychle přicházejí.

Přesto koncem 19. století dospěli geologové, kteří zde byli zahrnuti, ke konsensu ohledně stáří Země kolem 100 milionů let. Poté, co dospěli tak daleko, se zpočátku dost zdráhali přijmout další rozšíření geologické časové stupnice o desetinásobek nebo více. A my bychom měli odolat pokušení jim jejich odpor vyčítat. Radioaktivita byla špatně pochopena. Různé metody měření (např. rozpad uranu na helium versus jeho rozpad na olovo) někdy poskytovaly nesouhlasné hodnoty a mezi prvním použitím radiometrického datování a objevem izotopů uplynulo téměř deset let, nemluvě o rozpracování tří samostatných hlavních rozpadových řetězců v přírodě. Konstantnost rychlostí radioaktivního rozpadu byla považována za nezávislý a sporný předpoklad, protože nebylo známo – a až do rozvoje moderní kvantové mechaniky ani nemohlo být známo – že tyto rychlosti jsou pevně dány základními fyzikálními konstantami.

Teprve v roce 1926, kdy (pod vlivem Arthura Holmese, jehož jméno se v tomto příběhu opakuje) Národní akademie věd přijala radiometrickou časovou stupnici, můžeme tento spor považovat za definitivně vyřešený. Rozhodující pro toto řešení byly zdokonalené metody datování, které zahrnovaly pokroky v oblasti hmotnostní spektrometrie, odběru vzorků a laserového ohřevu. Výsledné poznatky vedly k současnému poznání, že Země je stará 4,55 miliardy let.

Tím se dostáváme na konec této série článků, ale ne na konec příběhu. Stejně jako mnoho jiných dobrých vědeckých hádanek se i otázka stáří Země při důkladnějším zkoumání sama rozřeší na jednotlivé složky. Máme na mysli stáří sluneční soustavy, nebo Země jako planety v ní, nebo soustavy Země-Měsíc, nebo dobu od vzniku kovového jádra Země, nebo dobu od vzniku nejstarší pevné kůry? Tyto otázky jsou stále předmětem aktivního zkoumání, přičemž jako vodítka se používají změny v rozložení izotopů nebo anomálie ve složení minerálů, které vypovídají o vzniku a rozpadu dlouho zanikajících krátce žijících izotopů. Izotopové poměry mezi stabilními izotopy na Zemi i v meteoritech jsou stále pečlivěji zkoumány, abychom zjistili, co nám mohou říci o konečných zdrojích samotných atomů, které tvoří naši planetu. Můžeme se těšit na nové odpovědi a nové otázky. Tak funguje věda.