Comment la science a déterminé l’âge de la Terre

Note de la rédaction : Ce qui suit est l’introduction d’une publication électronique spéciale intitulée Déterminer l’âge de la Terre (cliquez sur le lien pour voir la table des matières). Publiée au début de cette année, cette collection tire des articles des archives de Scientific American. Dans le recueil, cette introduction apparaît avec le titre « Stumbling Toward an Understanding of Geologic Timescales »

Aristote pensait que la terre avait existé éternellement. Le poète romain Lucrèce, héritier intellectuel des atomistes grecs, pensait que sa formation devait être relativement récente, étant donné qu’il n’existait pas de documents remontant au-delà de la guerre de Troie. Les rabbins talmudiques, Martin Luther et d’autres ont utilisé le récit biblique pour extrapoler à partir de l’histoire connue et sont parvenus à des estimations assez similaires de la date de création de la Terre. La plus célèbre est venue en 1654, lorsque l’archevêque James Ussher d’Irlande a proposé la date de 4004 av. J.-C.

En quelques décennies, l’observation a commencé à dépasser une telle pensée. Dans les années 1660, Nicolas Steno a formulé nos concepts modernes de dépôt des strates horizontales. Il en a déduit que lorsque les couches ne sont pas horizontales, elles ont dû être inclinées depuis leur dépôt et a noté que différentes strates contiennent différents types de fossiles. Robert Hooke, peu de temps après, a suggéré que les archives fossiles constitueraient la base d’une chronologie qui serait « bien antérieure… aux pyramides elles-mêmes ». Le XVIIIe siècle a vu la généralisation de la construction de canaux, qui a conduit à la découverte de strates corrélées sur de grandes distances, et la reconnaissance par James Hutton que les discordances entre couches successives impliquaient que le dépôt avait été interrompu par des périodes extrêmement longues d’inclinaison et d’érosion. En 1788, Hutton avait formulé une théorie du dépôt et du soulèvement cyclique, avec la terre indéfiniment vieille, ne montrant « aucun vestige d’un début – aucune perspective d’une fin ». Hutton considérait que le présent était la clé du passé, les processus géologiques étant mus par les mêmes forces que celles que nous voyons à l’œuvre aujourd’hui. Cette position a fini par être connue sous le nom d’uniformitarisme, mais en son sein, nous devons faire la distinction entre l’uniformité de la loi naturelle (que nous accepterions presque tous) et les hypothèses de plus en plus discutables d’uniformité du processus, d’uniformité du rythme et d’uniformité du résultat.

Voilà le contexte du drame intellectuel qui se joue dans cette série d’articles. C’est un drame composé d’un prologue et de trois actes, de personnages complexes, et sans héros ou méchants clairs. Nous connaissons bien sûr l’issue finale, mais nous ne devons pas laisser cela influencer notre appréciation de l’histoire telle qu’elle se déroule. Encore moins devons-nous laisser cette connaissance influencer notre jugement des acteurs, agissant comme ils l’ont fait à leur époque, contraints par les concepts et les données alors disponibles.

Une caractéristique remarquable de ce drame est le rôle joué par ceux qui eux-mêmes n’étaient pas, ou pas exclusivement, des géologues. Le plus notable est William Thomson, anobli pour devenir Lord Kelvin en 1892, dont les théories constituent une section entière de ce recueil. Il était l’un des physiciens dominants de son époque, l’âge de la vapeur. Ses réalisations vont de sa participation à la formulation des lois de la thermodynamique à ses conseils sur le premier câble télégraphique transatlantique. Harlow Shapley, qui a écrit un article en 1919 sur le sujet, était un astronome, responsable de la détection du décalage vers le rouge dans les nébuleuses lointaines et donc, indirectement, de notre concept actuel d’un univers en expansion. Florian Cajori, auteur de l’article de 1908 « The Age of the Sun and the Earth », est un historien des sciences et surtout des mathématiques, et Ray Lankester, qu’il cite, est zoologiste. H. N. Russell, auteur de l’article de 1921 sur la datation radioactive, m’était familier pour son rôle dans le développement du diagramme de Hetzsprung-Russell pour les étoiles, mais j’ai été surpris de découvrir qu’il était aussi le Russell du couplage Russell-Saunders, important dans la théorie de la structure atomique. H. S. Shelton était un philosophe des sciences, critique (comme le montre sa contribution, l’article de 1915 « Sea-Salt and Geologic Time ») de la pensée lâche et défenseur de l’évolution dans les débats.
Le prologue du drame est la reconnaissance au milieu du 19ème siècle de la relation entre la chaleur et les autres types d’énergie (voir l’article de 1857 « Source of the Sun’s Heat »). Le premier acte consiste en une attaque directe, menée par Lord Kelvin, contre l’uniformitarisme extrême de ceux qui, comme Charles Lyell, considéraient la terre comme indéfiniment vieille et qui, avec une grande clairvoyance (ou une grande naïveté, selon votre point de vue : voir la troisième partie de l’article de 1900 « The Age of the Earth » de W. J. Sollas), supposaient que les phénomènes physiques et chimiques étaient liés à l’âge de la terre. Sollas), supposaient que des processus physiques seraient finalement découverts pour alimenter le grand moteur de l’érosion et du soulèvement.
Le deuxième acte du drame voit une tentative prolongée d’une nouvelle génération de géologues d’estimer l’âge de la terre à partir de preuves observationnelles, d’arriver à une réponse qui satisferait les exigences de la pensée évolutionniste nouvellement dominante, et de concilier cette réponse avec les contraintes imposées par la thermodynamique. Le troisième acte voit l’entrée en scène d’un ensemble de lois physiques récemment découvertes – celles qui régissent la radioactivité. La radioactivité offrait non seulement une résolution à l’énigme de l’approvisionnement en énergie de la terre, mais aussi une chronologie indépendante des hypothèses géologiques douteuses et une profondeur de temps plus qu’adéquate pour les processus de l’évolution.

Lord Kelvin et ses alliés ont utilisé trois types d’arguments. Le premier d’entre eux se référait au taux de perte de chaleur de la terre et au temps qu’il aurait fallu pour former sa croûte solide. Le second faisait référence à des sujets tels que la forme détaillée de la terre (légèrement bombée à l’équateur) et la dynamique du système terre-lune. Le troisième faisait référence à la chaleur du soleil, en particulier à la vitesse à laquelle cette chaleur se perd, par rapport à la quantité totale d’énergie initialement disponible.

Le premier argument était complètement miné après avoir pris en compte la quantité de chaleur générée par la désintégration radioactive. Le deuxième dépendait de théories très douteuses sur la formation de la terre et de la lune et joue un rôle relativement faible dans cette compilation. La troisième, qui, à la fin, était la plus aiguë, présentait un problème qui a survécu à la controverse elle-même. Ainsi, lorsqu’en 1919 Shapley déclara que pour lui l’échelle de temps radiométrique était pleinement établie, il reconnut qu’il n’y avait pas encore d’explication pour l’énergie du soleil. (Il n’eut pas besoin d’attendre longtemps. En 1920, Sir Arthur Eddington apporta la réponse : la fusion de l’hydrogène en hélium.)
En réponse aux attaques de Lord Kelvin, les géologues utilisèrent deux raisonnements principaux. L’un faisait référence à la profondeur des sédiments et au temps qu’ils auraient mis à s’accumuler ; l’autre à la salinité des océans, comparée au rythme auquel les fleuves les alimentent en sels de sodium. Rétrospectivement, ces deux théories étaient profondément erronées, pour des raisons similaires. Elles supposaient que les taux actuels de dépôt de sédiments et de transport de sel par les rivières étaient les mêmes que les taux historiques, malgré les preuves qu’elles avaient que notre époque est celle d’une activité géologique atypique. Pire encore, ils mesuraient les entrées mais ignoraient les sorties. Le cycle des roches, comme nous le savons maintenant, est régi par la tectonique des plaques, les matériaux sédimentaires disparaissant dans les zones de subduction. Et les océans ont depuis longtemps approché quelque chose de proche d’un état d’équilibre, les sédiments chimiques éliminant les minéraux dissous aussi vite qu’ils arrivent.

Néanmoins, à la fin du XIXe siècle, les géologues inclus ici étaient parvenus à un consensus pour l’âge de la Terre d’environ 100 millions d’années. Ayant parcouru ce chemin, ils étaient initialement assez réticents à accepter une nouvelle expansion de l’échelle des temps géologiques d’un facteur 10 ou plus. Et nous devrions résister à la tentation de les blâmer pour leur résistance. La radioactivité était mal comprise. Différentes méthodes de mesure (comme la désintégration de l’uranium en hélium par rapport à sa désintégration en plomb) donnaient parfois des valeurs discordantes, et près d’une décennie s’est écoulée entre la première utilisation de la datation radiométrique et la découverte des isotopes, sans parler de l’élaboration des trois principales chaînes de désintégration distinctes dans la nature. La constance des taux de désintégration radioactive était considérée comme une hypothèse indépendante et discutable, car on ne savait pas – et on ne pouvait pas savoir avant le développement de la mécanique quantique moderne – que ces taux étaient fixés par les constantes fondamentales de la physique.

Ce n’est qu’en 1926, lorsque (sous l’influence d’Arthur Holmes, dont le nom revient tout au long de cette histoire) la National Academy of Sciences a adopté l’échelle de temps radiométrique, que nous pouvons considérer la controverse comme définitivement résolue. L’amélioration des méthodes de datation, qui ont intégré les progrès de la spectrométrie de masse, de l’échantillonnage et du chauffage au laser, a été déterminante pour cette résolution. Les connaissances qui en ont résulté ont permis de comprendre actuellement que la terre a 4,55 milliards d’années.

Cela nous amène à la fin de cette série d’articles, mais pas à la fin de l’histoire. Comme pour tant de bonnes énigmes scientifiques, la question de l’âge de la terre se résout lors d’un examen plus rigoureux en composantes distinctes. Parle-t-on de l’âge du système solaire, ou de la terre en tant que planète dans ce système, ou du système terre-lune, ou du temps écoulé depuis la formation du noyau métallique de la terre, ou du temps écoulé depuis la formation de la première croûte solide ? Ces questions font l’objet d’une recherche active, utilisant comme indices les variations de la distribution isotopique, ou les anomalies de la composition minérale, qui racontent l’histoire de la formation et de la désintégration des isotopes à courte durée de vie. Les rapports isotopiques entre les isotopes stables, tant sur la terre que dans les météorites, font l’objet d’un examen de plus en plus attentif, afin de voir ce qu’ils peuvent nous apprendre sur les sources ultimes des atomes qui composent notre planète. Nous pouvons nous attendre à de nouvelles réponses – et à de nouvelles questions. C’est ainsi que fonctionne la science.