Wie die Wissenschaft das Alter der Erde herausfand

Anmerkung des Herausgebers: Das Folgende ist die Einleitung zu einer speziellen e-Publikation mit dem Titel Determining the Age of the Earth (klicken Sie auf den Link, um das Inhaltsverzeichnis zu sehen). Die Sammlung, die Anfang des Jahres veröffentlicht wurde, enthält Artikel aus den Archiven von Scientific American. In der Sammlung erscheint diese Einleitung unter dem Titel „Stumbling Toward an Understanding of Geologic Timescales“

Aristoteles glaubte, die Erde existiere schon ewig. Der römische Dichter Lukrez, intellektueller Erbe der griechischen Atomisten, glaubte, dass die Erde erst vor relativ kurzer Zeit entstanden sein muss, da es keine Aufzeichnungen gibt, die über den Trojanischen Krieg hinausgehen. Die talmudischen Rabbiner, Martin Luther und andere nutzten den biblischen Bericht, um aus der bekannten Geschichte zu extrapolieren, und kamen zu recht ähnlichen Schätzungen, wann die Erde entstanden ist. Die berühmteste Schätzung stammt aus dem Jahr 1654, als der irische Erzbischof James Ussher das Datum 4004 v. Chr. angab.

In den folgenden Jahrzehnten begann die Beobachtung, dieses Denken zu überholen. In den 1660er Jahren formulierte Nicolas Steno unsere modernen Konzepte der Ablagerung von horizontalen Schichten. Er schloss daraus, dass die Schichten, die nicht horizontal liegen, seit ihrer Ablagerung gekippt sein müssen, und stellte fest, dass verschiedene Schichten unterschiedliche Arten von Fossilien enthalten. Robert Hooke schlug wenig später vor, dass die Fossilienaufzeichnungen die Grundlage für eine Chronologie bilden würden, die „weit vor der Zeit … sogar der Pyramiden selbst“ liegen würde. Im 18. Jahrhundert verbreitete sich der Kanalbau, was zur Entdeckung von Schichten führte, die über große Entfernungen miteinander korrelierten, und James Hutton erkannte, dass Diskordanzen zwischen aufeinanderfolgenden Schichten bedeuten, dass die Ablagerung durch enorm lange Kipp- und Erosionsperioden unterbrochen worden war. Bis 1788 hatte Hutton eine Theorie der zyklischen Ablagerung und Hebung formuliert, nach der die Erde unendlich alt ist und „keine Spur eines Anfangs und keine Aussicht auf ein Ende“ aufweist. Hutton betrachtete die Gegenwart als Schlüssel zur Vergangenheit, wobei die geologischen Prozesse von denselben Kräften angetrieben werden, die wir heute bei der Arbeit beobachten können. Diese Position wurde als Uniformitarismus bekannt, doch müssen wir dabei zwischen der Gleichförmigkeit der Naturgesetze (die fast alle von uns akzeptieren würden) und den zunehmend fragwürdigen Annahmen der Gleichförmigkeit des Prozesses, der Gleichförmigkeit der Geschwindigkeit und der Gleichförmigkeit des Ergebnisses unterscheiden.

Das ist der Hintergrund des intellektuellen Dramas, das sich in dieser Reihe von Artikeln abspielt. Es ist ein Drama, das aus einem Prolog und drei Akten besteht, mit komplexen Charakteren und ohne eindeutige Helden oder Schurken. Natürlich kennen wir das Endergebnis, aber wir sollten nicht zulassen, dass dies unsere Wertschätzung der Geschichte beeinflusst, während sie sich entfaltet. Noch weniger sollten wir dieses Wissen unser Urteil über die Akteure beeinflussen lassen, die in ihrer eigenen Zeit handelten, eingeschränkt durch die damals verfügbaren Konzepte und Daten.

Ein herausragendes Merkmal dieses Dramas ist die Rolle, die diejenigen spielen, die selbst keine oder nicht ausschließlich Geologen waren. Am bemerkenswertesten ist William Thomson, der 1892 als Lord Kelvin geadelt wurde und dessen Theorien ein ganzer Abschnitt dieser Sammlung gewidmet ist. Er war einer der führenden Physiker seiner Zeit, dem Zeitalter des Dampfes. Seine Leistungen reichten von der Formulierung der Gesetze der Thermodynamik bis zur Beratung beim ersten transatlantischen Telegrafenkabel. Harlow Shapley, der 1919 einen Artikel zu diesem Thema schrieb, war Astronom und verantwortlich für die Entdeckung der Rotverschiebung in fernen Nebeln und damit indirekt für unser heutiges Konzept eines expandierenden Universums. Florian Cajori, Autor des 1908 erschienenen Artikels „The Age of the Sun and the Earth“, war Wissenschaftshistoriker und insbesondere Mathematiker, und Ray Lankester, den er zitiert, war Zoologe. H. N. Russell, Autor des Artikels von 1921 über die radioaktive Datierung, war mir wegen seiner Beteiligung an der Entwicklung des Hetzsprung-Russell-Diagramms für Sterne bekannt, aber ich war überrascht zu entdecken, dass er auch der Russell der Russell-Saunders-Kopplung war, die für die Atomstrukturtheorie wichtig ist. H. S. Shelton war ein Wissenschaftsphilosoph, der (wie in seinem Beitrag, dem Artikel „Sea-Salt and Geologic Time“ von 1915, zu sehen ist) einem lockeren Denken kritisch gegenüberstand und in Debatten die Evolution verteidigte.
Der Prolog des Dramas ist die Erkenntnis der Beziehung zwischen Wärme und anderen Arten von Energie Mitte des 19. Jahrhunderts (siehe den Artikel „Source of the Sun’s Heat“ von 1857). Der erste Akt besteht in einem direkten Angriff, angeführt von Lord Kelvin, auf den extremen Uniformitarismus von Leuten wie Charles Lyell, der die Erde als unendlich alt ansah und mit großer Weitsicht (oder großer Naivität, je nach Standpunkt: siehe den dritten Teil des Artikels „The Age of the Earth“ von W. J. Sollas aus dem Jahr 1900) davon ausging, dass die physikalischen Prozesse auf der Erde unendlich alt seien. Im zweiten Akt des Dramas versucht eine neue Generation von Geologen, das Alter der Erde anhand von Beobachtungen abzuschätzen, eine Antwort zu finden, die den Anforderungen des neuen evolutionären Denkens entspricht, und diese Antwort mit den Zwängen der Thermodynamik in Einklang zu bringen. Im dritten Akt kam eine neu entdeckte Reihe physikalischer Gesetze ins Spiel – die der Radioaktivität. Die Radioaktivität bot nicht nur eine Lösung für das Rätsel der Energieversorgung der Erde, sondern auch eine von fragwürdigen geologischen Annahmen unabhängige Chronologie und eine für die Evolutionsprozesse mehr als ausreichende Zeittiefe.

Lord Kelvin und seine Verbündeten bedienten sich dreierlei Argumente. Die erste bezog sich auf die Geschwindigkeit des Wärmeverlustes der Erde und die Zeitspanne, die für die Bildung der festen Kruste benötigt worden wäre. Das zweite bezog sich auf Themen wie die detaillierte Form der Erde (die sich am Äquator leicht wölbt) und die Dynamik des Erde-Mond-Systems. Das dritte bezog sich auf die Wärme der Sonne, insbesondere auf die Geschwindigkeit, mit der diese Wärme im Vergleich zur ursprünglich verfügbaren Gesamtenergiemenge verloren geht.

Das erste Argument wurde völlig entkräftet, wenn man die durch den radioaktiven Zerfall erzeugte Wärmemenge berücksichtigte. Das zweite stützte sich auf höchst zweifelhafte Theorien über die Entstehung von Erde und Mond und spielt in dieser Zusammenstellung eine relativ geringe Rolle. Die dritte, die am Ende die akuteste war, stellte ein Problem dar, das die Kontroverse selbst überdauerte. Als Shapley 1919 erklärte, dass für ihn die radiometrische Zeitskala vollständig etabliert sei, räumte er ein, dass es noch keine Erklärung für die Energie der Sonne gebe. (Er brauchte nicht lange zu warten. 1920 gab Sir Arthur Eddington die Antwort: die Fusion von Wasserstoff zu Helium.)
Als Antwort auf Lord Kelvins Angriffe führten die Geologen zwei Hauptargumentationslinien an. Die eine bezog sich auf die Tiefe der Sedimente und die Zeit, die sie für ihre Ansammlung gebraucht hätten, die andere auf den Salzgehalt der Ozeane im Vergleich zu der Geschwindigkeit, mit der die Flüsse sie mit Natriumsalzen versorgen. Im Nachhinein betrachtet, waren beide Theorien aus ähnlichen Gründen zutiefst verfehlt. Sie gingen davon aus, dass die gegenwärtigen Raten der Sedimentablagerung und des Salztransports durch Flüsse mit den historischen Raten übereinstimmen, obwohl sie Beweise dafür hatten, dass unser eigenes Zeitalter von einer atypisch hohen geologischen Aktivität geprägt ist. Schlimmer noch, sie maßen den Input, ignorierten aber den Output. Wie wir heute wissen, wird der Gesteinskreislauf von der Plattentektonik angetrieben, wobei Sedimentmaterial in Subduktionszonen verschwindet. Und die Ozeane haben sich längst einem stabilen Zustand angenähert, wobei chemische Sedimente gelöste Mineralien so schnell entfernen, wie sie ankommen.

Dennoch hatten die Geologen, die hier einbezogen wurden, Ende des 19. Jahrhunderts einen Konsens über das Alter der Erde von etwa 100 Millionen Jahren erreicht. Nachdem sie so weit gekommen waren, zögerten sie zunächst, eine weitere Ausdehnung der geologischen Zeitskala um einen Faktor 10 oder mehr zu akzeptieren. Und wir sollten der Versuchung widerstehen, sie für ihren Widerstand verantwortlich zu machen. Die Radioaktivität wurde nur unzureichend verstanden. Unterschiedliche Messmethoden (z. B. der Zerfall von Uran zu Helium im Vergleich zu seinem Zerfall zu Blei) ergaben manchmal nicht übereinstimmende Werte, und zwischen der ersten Anwendung der radiometrischen Datierung und der Entdeckung der Isotope verging fast ein Jahrzehnt, ganz zu schweigen von der Ausarbeitung der drei getrennten Hauptzerfallsketten in der Natur. Die Konstanz der radioaktiven Zerfallsraten wurde als unabhängige und fragwürdige Annahme betrachtet, da nicht bekannt war – und bis zur Entwicklung der modernen Quantenmechanik auch nicht bekannt sein konnte -, dass diese Raten durch die fundamentalen Konstanten der Physik festgelegt sind.

Erst 1926, als (unter dem Einfluss von Arthur Holmes, dessen Name in dieser Geschichte immer wieder auftaucht) die National Academy of Sciences die radiometrische Zeitskala annahm, können wir die Kontroverse als endgültig gelöst betrachten. Ausschlaggebend für diese Lösung waren verbesserte Datierungsmethoden, die Fortschritte in der Massenspektrometrie, der Probenahme und der Lasererwärmung berücksichtigten. Die daraus resultierenden Erkenntnisse haben zu dem heutigen Verständnis geführt, dass die Erde 4,55 Milliarden Jahre alt ist.

Damit sind wir am Ende dieser Artikelserie angelangt, aber noch nicht am Ende der Geschichte. Wie bei so vielen guten wissenschaftlichen Rätseln löst sich die Frage nach dem Alter der Erde bei genauerer Betrachtung in verschiedene Komponenten auf. Meinen wir das Alter des Sonnensystems oder das der Erde als Planet in diesem System oder das des Erde-Mond-Systems oder die Zeit seit der Bildung des metallischen Erdkerns oder die Zeit seit der Bildung der frühesten festen Kruste? Diese Fragen werden nach wie vor aktiv untersucht, wobei als Anhaltspunkte Variationen in der Isotopenverteilung oder Anomalien in der Mineralzusammensetzung herangezogen werden, die die Geschichte der Entstehung und des Zerfalls langlebiger Isotope erzählen. Die Isotopenverhältnisse zwischen stabilen Isotopen sowohl auf der Erde als auch in Meteoriten werden immer genauer untersucht, um herauszufinden, was sie uns über die letztendlichen Quellen der Atome, aus denen unser Planet besteht, sagen können. Wir können uns auf neue Antworten freuen – und auf neue Fragen. So funktioniert Wissenschaft.