Hogyan derítette ki a tudomány a Föld korát

Szerkesztői megjegyzés: Az alábbiakban a Föld korának meghatározása című különleges e-kiadvány bevezetője olvasható (a tartalomjegyzék megtekintéséhez kattintson a linkre). Az év elején megjelent gyűjtemény a Scientific American archívumából merít cikkeket. A gyűjteményben ez a bevezető a “Stumbling Toward an Understanding of Geologic Timescales” címmel jelenik meg.”

Aristotelész úgy gondolta, hogy a Föld örökké létezett. Lucretius római költő, a görög atomisták szellemi örököse úgy vélte, hogy kialakulása viszonylag friss lehetett, mivel a trójai háború utánra visszamenőleg nem maradtak feljegyzések. A talmudi rabbik, Luther Márton és mások a bibliai beszámolót használták fel az ismert történelemből való extrapolációra, és meglehetősen hasonló becslésekre jutottak a Föld keletkezésének idejére vonatkozóan. A leghíresebb 1654-ben született, amikor James Ussher ír érsek Kr. e. 4004-es dátumot ajánlott

A megfigyelés évtizedeken belül kezdte megelőzni az ilyen gondolkodást. Az 1660-as években Nicolas Steno megfogalmazta a vízszintes rétegek lerakódásáról alkotott modern fogalmainkat. Arra következtetett, hogy ahol a rétegek nem vízszintesek, ott a lerakódásuk óta dőlniük kellett, és megjegyezte, hogy a különböző rétegek különböző típusú kövületeket tartalmaznak. Robert Hooke nem sokkal később felvetette, hogy a fosszilis feljegyzések olyan kronológia alapját képezik, amely “messze megelőzi … még a piramisokat is”. A 18. században terjedt el a csatornaépítés, ami a nagy távolságokon át összefüggő rétegek felfedezéséhez vezetett, és James Hutton felismerte, hogy az egymást követő rétegek közötti eltérések arra utalnak, hogy a lerakódást rendkívül hosszú billenési és eróziós időszakok szakították meg. 1788-ra Hutton megfogalmazta a ciklikus lerakódás és kiemelkedés elméletét, amely szerint a Föld végtelenül öreg, és “kezdetnek nyoma sincs – végnek pedig nincs kilátása”. Hutton úgy vélte, hogy a jelen a múlt kulcsa, és a geológiai folyamatokat ugyanazok az erők mozgatják, mint amelyeket ma is láthatunk munkálkodni. Ez az álláspont uniformitarizmus néven vált ismertté, de ezen belül különbséget kell tennünk a természeti törvények egységessége (amelyet szinte mindenki elfogadna) és a folyamatok egységességének, a sebesség egységességének és az eredmények egységességének egyre inkább megkérdőjelezhető feltételezései között.

Ez a háttere annak a szellemi drámának, amely ebben a tanulmánysorozatban játszódik. Ez egy prológusból és három felvonásból álló dráma, összetett szereplőkkel, és nem egyértelmű hősökkel vagy gonoszokkal. Természetesen ismerjük a végkifejletet, de nem szabad hagynunk, hogy ez befolyásolja a kibontakozó történet értékelését. Még kevésbé szabad hagynunk, hogy ez a tudás befolyásolja a szereplők megítélését, akik a saját korukban, az akkor rendelkezésre álló fogalmak és adatok által korlátozottan cselekedtek.

Ez a dráma egyik kiemelkedő jellemzője, hogy olyanok játszanak szerepet, akik maguk nem, vagy nem kizárólag geológusok voltak. A legjelentősebb William Thomson, akit 1892-ben Lord Kelvinné nemesítettek, és akinek elméletei e gyűjtemény egy egész fejezetét teszik ki. Korának, a gőz korának egyik meghatározó fizikusa volt. Eredményei a termodinamika törvényeinek megfogalmazásában való közreműködéstől az első transzatlanti távírókábellel kapcsolatos tanácsadásig terjedtek. Harlow Shapley, aki 1919-ben cikket írt a témáról, csillagász volt, aki felelős a távoli ködök vöröseltolódásának észleléséért, és így közvetve a táguló világegyetemről alkotott jelenlegi elképzelésünkért. Florian Cajori, “A Nap és a Föld kora” című 1908-as cikk szerzője tudomány- és különösen matematikatörténész volt, Ray Lankester pedig, akit idéz, zoológus. H. N. Russell, a radioaktív kormeghatározásról szóló 1921-es cikk szerzője a csillagokra vonatkozó Hetzsprung-Russell-diagram kidolgozásában játszott szerepe miatt volt ismerős számomra, de meglepődve fedeztem fel, hogy ő volt az atomszerkezet-elméletben fontos Russell-Saunders-párosítás Russellje is. H. S. Shelton tudományfilozófus volt, aki kritikusan viszonyult (amint az az ő közreműködéséből, a “Tengeri só és geológiai idő” című 1915-ös cikkéből kiderül) a laza gondolkodáshoz, és vitákban az evolúció védelmezője volt.
A dráma prológusa a 19. század közepén a hő és más energiafajták közötti kapcsolat felismerése (lásd a “Source of the Sun’s Heat” című 1857-es cikket). Az első felvonás a Lord Kelvin által vezetett közvetlen támadás az olyanok szélsőséges uniformizmusa ellen, mint Charles Lyell, aki a Földet végtelenül öregnek tekintette, és aki nagy előrelátással (vagy nagy naivitással, nézőpontunktól függően: lásd az 1900-as “A Föld kora” című cikk harmadik részletét W. J. Sollas), feltételezték, hogy előbb-utóbb felfedezik azokat a fizikai folyamatokat, amelyek az erózió és a kiemelkedés nagy motorját működtetik.
A dráma második felvonásában a geológusok új generációja hosszan tartó kísérletet tesz arra, hogy a megfigyelési bizonyítékok alapján megbecsülje a Föld korát, hogy olyan választ adjon, amely megfelel az újonnan uralkodó evolúciós gondolkodás követelményeinek, és hogy ezt a választ összeegyeztetje a termodinamika által támasztott korlátokkal. A harmadik felvonásban a fizikai törvények egy újonnan felfedezett csoportja – a radioaktivitást szabályozó törvények – lép be. A radioaktivitás nemcsak a Föld energiaellátásának rejtélyére kínált megoldást, hanem a megkérdőjelezhető geológiai feltételezésektől független kronológiát és az evolúciós folyamatoknak több mint megfelelő időmélységet is.

Lord Kelvin és szövetségesei háromféle érvet használtak. Az első ezek közül a Föld hőveszteségének mértékére és a szilárd kéreg kialakulásához szükséges időre vonatkozott. A második olyan témákra vonatkozott, mint a Föld részletes alakja (az egyenlítőnél kissé kidudorodó) és a Föld-Hold rendszer dinamikája. A harmadik a Nap hőjére vonatkozott, különösen arra a sebességre, amellyel ez a hő elvész, összehasonlítva az eredetileg rendelkezésre álló teljes energiamennyiséggel.

Az első érv teljesen megdőlt, miután figyelembe vették a radioaktív bomlás által termelt hő mennyiségét. A második a Föld és a Hold kialakulásának rendkívül kétes elméleteitől függött, és ebben az összeállításban viszonylag kevés szerepet játszik. A harmadik, amely a végére a legélesebbé vált, olyan problémát vetett fel, amely túlélte magát a vitát. Így amikor 1919-ben Shapley kijelentette, hogy számára a radiometrikus időskála teljesen megalapozott, elismerte, hogy a Nap energiájára még nincs magyarázat. (Nem kellett sokáig várnia. 1920-ban Sir Arthur Eddington előállt a válasszal: a hidrogén héliummá fúziója.)
Lord Kelvin támadásaira válaszul a geológusok két fő érvelési irányvonalat használtak. Az egyik az üledékek mélységére és a felhalmozódáshoz szükséges időre vonatkozott; a másik az óceánok sótartalmára, összehasonlítva azzal a sebességgel, amellyel a folyók nátriumsókkal látják el őket. Utólag visszatekintve mindkét elmélet hasonló okokból mélyen téves volt. Feltételezték, hogy a jelenlegi sebesség – az üledéklerakódás és a folyók általi sószállítás – megegyezik a történelmi sebességgel, annak ellenére, hogy bizonyítékuk volt arra, hogy a mi korunk atipikusan nagy geológiai aktivitással jellemezhető. Ami még rosszabb, hogy a bemeneteket mérték, de a kibocsátásokat figyelmen kívül hagyták. A kőzetek körforgását, ahogy ma már tudjuk, a lemeztektonika hajtja, az üledékes anyag a szubdukciós zónákban tűnik el. Az óceánok pedig már régen megközelítették az állandósult állapotot, a kémiai üledékek ugyanolyan gyorsan távolítják el az oldott ásványi anyagokat, mint ahogyan azok érkeznek.

Mindezek ellenére a 19. század végére az itt szereplő geológusok konszenzusra jutottak a Föld korát illetően, ami körülbelül 100 millió év. Miután ilyen messzire eljutottak, kezdetben meglehetősen vonakodtak elfogadni a geológiai időskála további, legalább tízszeresére vagy még többszörösére történő kitágítását. És ellen kell állnunk a kísértésnek, hogy hibáztassuk őket ellenállásukért. A radioaktivitást kevéssé ismerték. A különböző mérési módszerek (például az urán héliummá bomlása az ólommá bomlással szemben) néha eltérő értékeket adtak, és majdnem egy évtized telt el a radiometrikus kormeghatározás első alkalmazása és az izotópok felfedezése között, nem is beszélve a természetben előforduló három különálló fő bomlási lánc kidolgozásáról. A radioaktív bomlási sebességek állandóságát önálló és megkérdőjelezhető feltételezésnek tekintették, mivel nem tudták – és a modern kvantummechanika kialakulásáig nem is lehetett tudni -, hogy ezeket a sebességeket a fizika alapvető állandói rögzítik.

A vitát csak 1926-ban, amikor (Arthur Holmes hatására, akinek neve e történet során visszatér) a Nemzeti Tudományos Akadémia elfogadta a radiometrikus időskálát, tekinthetjük végleg eldöntöttnek. A feloldás szempontjából döntő fontosságúak voltak a kormeghatározás továbbfejlesztett módszerei, amelyek a tömegspektrometria, a mintavételezés és a lézerfűtés terén elért eredményeket is magukban foglalták. Az így szerzett ismeretek vezettek ahhoz a jelenlegi felfogáshoz, hogy a Föld 4,55 milliárd éves.”

Ezzel elérkeztünk e tanulmánysorozat végére, de nem értünk a történet végére. Mint oly sok jó tudományos rejtvény, a Föld korának kérdése is feloldódik a szigorúbb vizsgálat során különálló összetevőkre. A Naprendszer korára gondolunk, vagy a Földnek mint bolygónak a Naprendszeren belüli korára, vagy a Föld-Hold rendszer korára, vagy a Föld fémes magjának kialakulása óta eltelt időre, vagy a legkorábbi szilárd kéreg kialakulása óta eltelt időre? Ezeket a kérdéseket továbbra is aktívan vizsgálják, az izotópeloszlás változásait vagy az ásványi összetétel anomáliáit felhasználva, amelyek a rég eltűnt rövid életidejű izotópok kialakulásának és bomlásának történetét mesélik el. A stabil izotópok közötti izotóparányokat mind a Földön, mind a meteoritokban egyre alaposabban vizsgálják, hogy kiderítsék, mit árulnak el a bolygónkat alkotó atomok végső forrásairól. Új válaszok – és új kérdések – elé nézhetünk. Így működik a tudomány.