Cómo la ciencia descubrió la edad de la Tierra

Nota del editor: Lo que sigue es la introducción a una publicación electrónica especial llamada Determining the Age of the Earth (haga clic en el enlace para ver el índice). Publicada a principios de este año, la colección recoge artículos de los archivos de Scientific American. En la colección, esta introducción aparece con el título «Stumbling Toward an Understanding of Geologic Timescales» (Tropezando con la comprensión de las escalas de tiempo geológicas).

Aristóteles pensaba que la Tierra había existido eternamente. El poeta romano Lucrecio, heredero intelectual de los atomistas griegos, creía que su formación debía ser relativamente reciente, dado que no había registros que se remontaran más allá de la Guerra de Troya. Los rabinos talmúdicos, Martín Lutero y otros utilizaron el relato bíblico para extrapolar la historia conocida y llegaron a estimaciones bastante similares sobre el momento en que se formó la Tierra. La más famosa se produjo en 1654, cuando el arzobispo irlandés James Ussher propuso la fecha de 4004 a.C.

Dentro de unas décadas, la observación empezó a superar estas ideas. En la década de 1660, Nicolas Steno formuló nuestros conceptos modernos de deposición de estratos horizontales. Dedujo que cuando las capas no son horizontales, deben haber estado inclinadas desde su deposición y observó que diferentes estratos contienen diferentes tipos de fósiles. Robert Hooke, no mucho después, sugirió que el registro fósil constituiría la base de una cronología que sería «muy anterior… incluso a las propias pirámides». En el siglo XVIII se extendió la construcción de canales, lo que condujo al descubrimiento de estratos correlacionados a grandes distancias, y al reconocimiento por parte de James Hutton de que las inconformidades entre capas sucesivas implicaban que la deposición había sido interrumpida por períodos enormemente largos de inclinación y erosión. En 1788, Hutton había formulado una teoría de la deposición y elevación cíclicas, en la que la Tierra tenía una edad indefinida y no mostraba «ningún vestigio de un principio, ni perspectiva de un final». Hutton consideraba que el presente era la clave del pasado, con procesos geológicos impulsados por las mismas fuerzas que podemos ver en funcionamiento hoy en día. Esta posición llegó a conocerse como uniformitarianismo, pero dentro de ella debemos distinguir entre la uniformidad de la ley natural (que casi todos aceptaríamos) y los supuestos cada vez más cuestionables de la uniformidad del proceso, la uniformidad del ritmo y la uniformidad del resultado.

Este es el trasfondo del drama intelectual que se representa en esta serie de artículos. Es un drama que consta de un prólogo y tres actos, con personajes complejos y sin héroes ni villanos claros. Por supuesto, conocemos el resultado final, pero no debemos dejar que eso influya en nuestra apreciación de la historia mientras se desarrolla. Menos aún debemos dejar que ese conocimiento influya en nuestro juicio sobre los actores, que actúan como lo hicieron en su propia época, limitados por los conceptos y los datos entonces disponibles.

Una característica destacada de este drama es el papel desempeñado por quienes no eran, o no exclusivamente, geólogos. El más notable es William Thomson, ennoblecido para convertirse en Lord Kelvin en 1892, cuyas teorías constituyen una sección entera de esta colección. Fue uno de los físicos dominantes de su época, la Era del Vapor. Sus logros van desde ayudar a formular las leyes de la termodinámica hasta asesorar sobre el primer cable telegráfico transatlántico. Harlow Shapley, que escribió un artículo en 1919 sobre el tema, fue un astrónomo, responsable de la detección del corrimiento al rojo en nebulosas lejanas y, por tanto, indirectamente, de nuestro actual concepto de universo en expansión. Florian Cajori, autor del artículo de 1908 «La edad del Sol y de la Tierra», era un historiador de la ciencia y, sobre todo, de las matemáticas, y Ray Lankester, a quien cita, era zoólogo. H. N. Russell, autor del artículo de 1921 sobre datación radiactiva, me resultaba familiar por su participación en el desarrollo del diagrama Hetzsprung-Russell para las estrellas, pero me sorprendió descubrir que también era el Russell del acoplamiento Russell-Saunders, importante en la teoría de la estructura atómica. H. S. Shelton fue un filósofo de la ciencia, crítico (como se muestra en su contribución, el artículo de 1915 «Sea-Salt and Geologic Time») con el pensamiento laxo y defensor de la evolución en los debates.
El prólogo del drama es el reconocimiento a mediados del siglo XIX de la relación entre el calor y otros tipos de energía (véase el artículo de 1857 «Source of the Sun’s Heat»). El primer acto consiste en un ataque directo, liderado por Lord Kelvin, al uniformitarismo extremo de quienes, como Charles Lyell, consideraban que la Tierra tenía una edad indefinida y que, con gran clarividencia (o gran ingenuidad, según se mire: véase la tercera entrega del artículo de 1900 «The Age of the Earth» de W. J. Sollas), supusieron que con el tiempo se descubrirían procesos físicos que impulsarían el gran motor de la erosión y el levantamiento.
En el segundo acto del drama se produce un prolongado intento por parte de una nueva generación de geólogos de estimar la edad de la Tierra a partir de pruebas observacionales, de dar una respuesta que satisfaga las exigencias del nuevo pensamiento evolucionista dominante, y de conciliar esta respuesta con las limitaciones impuestas por la termodinámica. En el tercer acto se introdujo un conjunto de leyes físicas recién descubiertas: las que rigen la radiactividad. La radiactividad no sólo ofrecía una solución al rompecabezas del suministro de energía de la Tierra, sino también una cronología independiente de los cuestionables supuestos geológicos y una profundidad de tiempo más que adecuada para los procesos de la evolución.

Lord Kelvin y sus aliados utilizaron tres tipos de argumentos. El primero de ellos se refería a la tasa de pérdida de calor de la Tierra y al tiempo que habría tardado en formarse su corteza sólida. El segundo se refería a temas como la forma detallada de la Tierra (ligeramente abultada en el ecuador) y la dinámica del sistema Tierra-Luna. El tercero se refería al calor del sol, en particular a la velocidad a la que se pierde dicho calor, en comparación con la cantidad total de energía disponible inicialmente.

El primer argumento quedó totalmente desvirtuado tras tener en cuenta la cantidad de calor generada por la desintegración radiactiva. El segundo dependía de teorías muy dudosas sobre la formación de la tierra y la luna y juega un papel relativamente poco importante en esta recopilación. La tercera, que al final era la más aguda, presentaba un problema que sobrevivía a la propia controversia. Así, cuando en 1919 Shapley afirmó que para él la escala de tiempo radiométrica estaba plenamente establecida, reconoció que todavía no había una explicación para la energía del sol. (No tuvo que esperar mucho. En 1920 Sir Arthur Eddington dio la respuesta: la fusión del hidrógeno en helio.)
En respuesta a los ataques de Lord Kelvin, los geólogos utilizaron dos líneas principales de razonamiento. Uno se refería a la profundidad de los sedimentos y al tiempo que habrían tardado en acumularse; el otro se refería a la salinidad de los océanos, comparada con el ritmo al que los ríos los abastecen de sales de sodio. En retrospectiva, ambas teorías estaban profundamente equivocadas, por razones similares. Suponían que las tasas actuales de deposición de sedimentos y de transporte de sal por los ríos eran las mismas que las históricas, a pesar de las pruebas que tenían de que nuestra época es de una actividad geológica atípicamente alta. Y lo que es peor, medían las entradas pero ignoraban las salidas. El ciclo de las rocas, como sabemos ahora, está impulsado por la tectónica de placas, con material sedimentario que desaparece en las zonas de subducción. Y los océanos hace tiempo que se han acercado a algo parecido a un estado estacionario, con sedimentos químicos que eliminan los minerales disueltos con la misma rapidez con la que llegan.

No obstante, a finales del siglo XIX los geólogos aquí incluidos habían llegado a un consenso sobre la edad de la Tierra de unos 100 millones de años. Habiendo llegado tan lejos, al principio se mostraron bastante reacios a aceptar una nueva ampliación de la escala de tiempo geológica por un factor de 10 o más. Y debemos resistir la tentación de culparlos por su resistencia. La radiactividad era poco conocida. Los diferentes métodos de medición (como la desintegración del uranio en helio frente a su desintegración en plomo) a veces daban valores discordantes, y pasó casi una década entre el primer uso de la datación radiométrica y el descubrimiento de los isótopos, por no hablar de la elaboración de las tres principales cadenas de desintegración en la naturaleza. La constancia de las tasas de desintegración radiactiva se consideraba una suposición independiente y cuestionable porque no se sabía -y no podía saberse hasta el desarrollo de la mecánica cuántica moderna- que estas tasas estaban fijadas por las constantes fundamentales de la física.

No fue hasta 1926, cuando (bajo la influencia de Arthur Holmes, cuyo nombre se repite a lo largo de esta historia) la Academia Nacional de Ciencias adoptó la escala de tiempo radiométrica, que podemos considerar la controversia como finalmente resuelta. Para esta resolución fue fundamental la mejora de los métodos de datación, que incorporaron avances en la espectrometría de masas, el muestreo y el calentamiento por láser. El conocimiento resultante ha llevado a la comprensión actual de que la Tierra tiene 4.550 millones de años.

Esto nos lleva al final de esta serie de artículos, pero no al final de la historia. Como ocurre con muchos buenos rompecabezas científicos, la cuestión de la edad de la Tierra se resuelve por sí misma en un examen más riguroso en distintos componentes. ¿Nos referimos a la edad del sistema solar, o de la Tierra como planeta dentro de él, o del sistema Tierra-Luna, o al tiempo transcurrido desde la formación del núcleo metálico de la Tierra, o al tiempo transcurrido desde la formación de la primera corteza sólida? Estas cuestiones se siguen investigando activamente, utilizando como pistas las variaciones en la distribución isotópica, o las anomalías en la composición de los minerales, que cuentan la historia de la formación y la desintegración de los isótopos de vida corta de larga duración. Las relaciones isotópicas entre los isótopos estables, tanto en la Tierra como en los meteoritos, son objeto de un examen cada vez más minucioso, para ver qué pueden decirnos sobre las fuentes últimas de los propios átomos que componen nuestro planeta. Podemos esperar nuevas respuestas y nuevas preguntas. Así es como funciona la ciencia.