How Science Figured Out the Age of Earth

Mededeling: Het volgende is de inleiding van een speciale e-publicatie genaamd Determining the Age of the Earth (klik op de link om een inhoudsopgave te zien). De verzameling, die eerder dit jaar verscheen, is samengesteld uit artikelen uit de archieven van Scientific American. In de bundel staat deze inleiding onder de titel: “Struikelen naar een begrip van geologische tijdschalen.”

Aristoteles dacht dat de aarde eeuwig had bestaan. De Romeinse dichter Lucretius, de intellectuele erfgenaam van de Griekse atomisten, meende dat de aarde betrekkelijk recent moest zijn gevormd, aangezien er na de Trojaanse oorlog geen gegevens over de aarde bestonden. De Talmoedische rabbijnen, Maarten Luther en anderen gebruikten het bijbelse verhaal om terug te gaan in de bekende geschiedenis en kwamen met vergelijkbare schattingen voor het ontstaan van de aarde. De beroemdste kwam in 1654, toen aartsbisschop James Ussher van Ierland een datum van 4004 v. Chr. voorstelde

Ten na tientallen jaren begon de waarneming deze denkwijze in te halen. In de jaren 1660 formuleerde Nicolas Steno onze moderne opvattingen over de afzetting van horizontale lagen. Hij leidde daaruit af dat waar de lagen niet horizontaal zijn, zij sinds hun afzetting gekanteld moeten zijn geweest en merkte op dat verschillende strata verschillende soorten fossielen bevatten. Robert Hooke, niet lang daarna, stelde voor dat het fossielenbestand de basis zou vormen voor een chronologie die “ver vooruit zou lopen op … zelfs de piramiden zelf”. In de 18e eeuw werd de kanaalbouw uitgebreid, waardoor lagen werden ontdekt die over grote afstanden met elkaar in verband stonden, en James Hutton erkende dat onregelmatigheden tussen opeenvolgende lagen impliceerden dat de afzetting was onderbroken door enorm lange perioden van kanteling en erosie. In 1788 had Hutton een theorie geformuleerd van cyclische afzetting en opheffing, waarbij de aarde oneindig oud was en “geen spoor van een begin vertoonde – geen vooruitzicht op een einde”. Hutton beschouwde het heden als de sleutel tot het verleden, waarbij de geologische processen door dezelfde krachten werden aangedreven als die welke wij vandaag de dag aan het werk kunnen zien. Dit standpunt kwam bekend te staan als uniformitarisme, maar daarbinnen moeten we onderscheid maken tussen uniformiteit van de natuurwet (die bijna iedereen van ons zou accepteren) en de steeds twijfelachtiger wordende aannames van uniformiteit van proces, uniformiteit van snelheid en uniformiteit van uitkomst.

Dat is de achtergrond van het intellectuele drama dat zich in deze serie papers afspeelt. Het is een drama dat bestaat uit een proloog en drie bedrijven, complexe personages, en geen duidelijke helden of schurken. Wij kennen natuurlijk de uiteindelijke afloop, maar dat mag geen invloed hebben op onze waardering voor het verhaal zoals het zich ontvouwt. Nog minder moeten we die kennis van invloed laten zijn op ons oordeel over de spelers, die handelden zoals zij in hun eigen tijd deden, beperkt door de toen beschikbare concepten en gegevens.

Een opmerkelijk kenmerk van dit drama is de rol die wordt gespeeld door mensen die zelf geen, of niet uitsluitend, geoloog waren. Het meest opmerkelijk is William Thomson, die in 1892 werd veredeld tot Lord Kelvin, wiens theorieën een heel deel van deze verzameling beslaan. Hij was een van de belangrijkste natuurkundigen van zijn tijd, het tijdperk van de stoom. Zijn prestaties varieerden van het helpen formuleren van de wetten van de thermodynamica tot het adviseren over de eerste transatlantische telegraafkabel. Harlow Shapley, die in 1919 een artikel over het onderwerp schreef, was een astronoom die verantwoordelijk was voor de ontdekking van de roodverschuiving in verre nevels en daarmee indirect voor ons huidige concept van een uitdijend heelal. Florian Cajori, auteur van het artikel “The Age of the Sun and the Earth” uit 1908, was een historicus van de wetenschap en, in het bijzonder, van de wiskunde, en Ray Lankester, die hij citeert, was een zoöloog. H.N. Russell, auteur van het artikel over radioactieve datering uit 1921, was mij bekend vanwege zijn aandeel in de ontwikkeling van het Hetzsprung-Russell diagram voor sterren, maar ik was verrast te ontdekken dat hij ook de Russell was van de Russell-Saunders koppeling, belangrijk in de atoomstructuurtheorie. H.S. Shelton was een wetenschapsfilosoof, kritisch (zoals blijkt uit zijn bijdrage, het artikel “Sea-Salt and Geologic Time” uit 1915) over het losse denken en een verdediger van de evolutie in debatten.
De proloog van het drama is de erkenning halverwege de 19e eeuw van de relatie tussen warmte en andere soorten energie (zie het artikel “Source of the Sun’s Heat” uit 1857). De eerste akte bestaat uit een directe aanval, onder leiding van Lord Kelvin, op het extreme uniformitarianisme van mensen als Charles Lyell, die de aarde als oneindig oud beschouwden en die met grote vooruitziende blik (of grote naïviteit, afhankelijk van je gezichtspunt: zie de derde aflevering van het artikel “The Age of the Earth” van 1900 door W. J. In de tweede akte van het drama wordt een langdurige poging gedaan door een nieuwe generatie geologen om de leeftijd van de aarde te schatten aan de hand van waarnemingsgegevens, om met een antwoord te komen dat zou voldoen aan de eisen van het nieuwe overheersende evolutionaire denken, en om dit antwoord in overeenstemming te brengen met de beperkingen die de thermodynamica oplegt. In de derde akte komt een nieuw ontdekte reeks natuurkundige wetten aan de orde, die van de radioactiviteit. Radioactiviteit bood niet alleen een oplossing voor het raadsel van de energievoorziening van de aarde, maar ook een chronologie die onafhankelijk was van twijfelachtige geologische veronderstellingen en een tijdsdiepte die meer dan voldoende was voor de evolutieprocessen.

Lord Kelvin en zijn bondgenoten gebruikten drie soorten argumenten. Het eerste had betrekking op de snelheid waarmee de aarde warmte verliest en de tijd die nodig is om een vaste aardkorst te vormen. De tweede had betrekking op onderwerpen als de gedetailleerde vorm van de aarde (die aan de evenaar iets uitpuilt) en de dynamica van het systeem aarde-maan. Het derde had betrekking op de warmte van de zon, met name de snelheid waarmee deze warmte verloren gaat, vergeleken met de totale hoeveelheid energie die aanvankelijk beschikbaar was.

Het eerste argument werd volledig ondermijnd nadat rekening was gehouden met de hoeveelheid warmte die door radioactief verval wordt opgewekt. Het tweede berustte op zeer dubieuze theorieën over de vorming van de aarde en de maan en speelt in deze compilatie een betrekkelijk geringe rol. De derde, die aan het eind het meest acuut was, vormde een probleem dat de controverse zelf overleefde. Toen Shapley in 1919 verklaarde dat voor hem de radiometrische tijdschaal volledig vaststond, gaf hij toe dat er nog geen verklaring was voor de energie van de zon. (Hij hoefde niet lang te wachten. In 1920 kwam Sir Arthur Eddington met het antwoord: de fusie van waterstof tot helium.)
In antwoord op de aanvallen van Lord Kelvin gebruikten de geologen twee hoofdredeneringen. De ene had betrekking op de diepte van de sedimenten en de tijd die zij nodig zouden hebben gehad om zich op te hopen; de andere had betrekking op het zoutgehalte van de oceanen, vergeleken met de snelheid waarmee rivieren de oceanen van natriumzouten voorzien. Achteraf gezien waren beide theorieën om vergelijkbare redenen zeer misplaatst. Zij gingen ervan uit dat de huidige snelheid van sedimentafzetting en zouttransport door rivieren gelijk was aan de historische snelheid, ondanks het bewijs dat onze tijd er een is van atypisch hoge geologische activiteit. Erger nog, ze maten de inputs maar negeerden de outputs. De rotscyclus, zoals we nu weten, wordt aangedreven door plaattektoniek, waarbij sedimentair materiaal verdwijnt in subductiezones. En de oceanen hebben allang een stabiele toestand bereikt, waarbij chemische sedimenten opgeloste mineralen even snel verwijderen als zij er aankomen.

Niettemin waren de geologen in dit onderzoek aan het eind van de 19e eeuw het eens geworden over een leeftijd van de aarde van ongeveer 100 miljoen jaar. Na zo ver te zijn gekomen, stonden zij aanvankelijk nogal weigerachtig tegenover een verdere uitbreiding van de geologische tijdschaal met een factor 10 of meer. En we moeten de verleiding weerstaan om hen de schuld te geven van hun weerstand. Radioactiviteit werd slecht begrepen. Verschillende meetmethoden (zoals het verval van uranium tot helium versus het verval tot lood) gaven soms tegenstrijdige waarden, en er verliep bijna een decennium tussen het eerste gebruik van radiometrische datering en de ontdekking van isotopen, laat staan de uitwerking van de drie afzonderlijke grote vervalketens in de natuur. De constantheid van radioactieve vervalsnelheden werd beschouwd als een onafhankelijke en twijfelachtige veronderstelling, omdat niet bekend was – en niet bekend kon worden tot de ontwikkeling van de moderne kwantummechanica – dat deze snelheden werden bepaald door de fundamentele constanten van de fysica.

Dat we de controverse als definitief opgelost kunnen beschouwen, was pas in 1926, toen (onder invloed van Arthur Holmes, wiens naam in dit verhaal steeds terugkomt) de Nationale Academie van Wetenschappen de radiometrische tijdschaal aannam. Van doorslaggevend belang voor deze oplossing waren verbeterde dateringsmethoden, waarin vooruitgang op het gebied van massaspectrometrie, monsterneming en laserverwarming was verwerkt. De resulterende kennis heeft geleid tot het huidige inzicht dat de aarde 4,55 miljard jaar oud is.

Dat brengt ons aan het eind van deze serie artikelen, maar niet aan het eind van het verhaal. Zoals bij zoveel goede wetenschappelijke puzzels, valt ook de vraag naar de leeftijd van de aarde bij nadere bestudering uiteen in verschillende componenten. Bedoelen we de leeftijd van het zonnestelsel, of van de aarde als planeet daarin, of van het aarde-maan-systeem, of de tijd sinds de vorming van de metalen kern van de aarde, of de tijd sinds de vorming van de vroegste vaste korst? Dergelijke vragen worden nog steeds actief onderzocht, waarbij als aanwijzingen variaties in de isotopenverdeling, of anomalieën in de minerale samenstelling, worden gebruikt die het verhaal vertellen van de vorming en het verval van langlevende kortlevende isotopen. Isotopenverhoudingen tussen stabiele isotopen op aarde en in meteorieten worden steeds nauwkeuriger bestudeerd om na te gaan wat zij ons kunnen vertellen over de uiteindelijke bronnen van de atomen waaruit onze planeet is opgebouwd. We kunnen uitkijken naar nieuwe antwoorden – en nieuwe vragen. Zo werkt wetenschap nu eenmaal.