How Science Figured Out the Age of Earth

Nota dell’editore: Quanto segue è l’introduzione di una pubblicazione elettronica speciale chiamata Determining the Age of the Earth (clicca sul link per vedere l’indice). Pubblicata all’inizio di quest’anno, la raccolta attinge articoli dagli archivi di Scientific American. Nella raccolta, questa introduzione appare con il titolo, “Stumbling Toward an Understanding of Geologic Timescales.”

Aristotele pensava che la terra fosse esistita eternamente. Il poeta romano Lucrezio, erede intellettuale degli atomisti greci, credeva che la sua formazione dovesse essere relativamente recente, dato che non c’erano documenti che andassero oltre la guerra di Troia. I rabbini talmudici, Martin Lutero e altri usarono il racconto biblico per estrapolare dalla storia conosciuta e arrivarono a stime piuttosto simili su quando la terra è nata. La più famosa arrivò nel 1654, quando l’arcivescovo irlandese James Ussher propose la data del 4004 a.C.

In pochi decenni l’osservazione cominciò a superare questo pensiero. Negli anni 1660 Nicolas Steno formulò i nostri moderni concetti di deposizione degli strati orizzontali. Dedusse che dove gli strati non sono orizzontali, devono essere stati inclinati dalla loro deposizione e notò che diversi strati contengono diversi tipi di fossili. Robert Hooke, non molto tempo dopo, suggerì che il record fossile avrebbe costituito la base per una cronologia che avrebbe “preceduto di molto … anche le piramidi stesse”. Il XVIII secolo vide la diffusione della costruzione di canali, che portò alla scoperta di strati correlati su grandi distanze, e il riconoscimento di James Hutton che le incongruenze tra strati successivi implicavano che la deposizione era stata interrotta da periodi enormemente lunghi di inclinazione ed erosione. Nel 1788 Hutton aveva formulato una teoria di deposizione e sollevamento ciclico, con la terra indefinitamente vecchia, che non mostrava “nessuna traccia di un inizio, nessuna prospettiva di una fine”. Hutton considerava il presente come la chiave del passato, con i processi geologici guidati dalle stesse forze che possiamo vedere all’opera oggi. Questa posizione divenne nota come uniformitarismo, ma al suo interno dobbiamo distinguere tra l’uniformità della legge naturale (che quasi tutti noi accetteremmo) e i presupposti sempre più discutibili di uniformità di processo, uniformità di velocità e uniformità di risultato.

Questo è lo sfondo del dramma intellettuale che si svolge in questa serie di articoli. È un dramma che consiste in un prologo e tre atti, personaggi complessi e nessun eroe o cattivo chiaro. Noi, naturalmente, conosciamo l’esito finale, ma non dovremmo lasciare che questo influenzi il nostro apprezzamento della storia nel suo svolgimento. Ancor meno dovremmo lasciare che questa conoscenza influenzi il nostro giudizio sugli attori, che agiscono come hanno fatto nel loro tempo, limitati dai concetti e dai dati allora disponibili.

Una caratteristica eccezionale di questo dramma è il ruolo giocato da coloro che non erano, o non esclusivamente, geologi. Il più notevole è William Thomson, nobilitato come Lord Kelvin nel 1892, le cui teorie costituiscono un’intera sezione di questa raccolta. Fu uno dei fisici dominanti del suo tempo, l’Età del Vapore. I suoi successi andavano dall’aiutare a formulare le leggi della termodinamica alla consulenza sul primo cavo telegrafico transatlantico. Harlow Shapley, che scrisse un articolo nel 1919 sull’argomento, era un astronomo, responsabile della scoperta del redshift in nebulose lontane e quindi, indirettamente, del nostro attuale concetto di universo in espansione. Florian Cajori, autore dell’articolo del 1908 “The Age of the Sun and the Earth”, era uno storico della scienza e, specialmente, della matematica, e Ray Lankester, che cita, era uno zoologo. H. N. Russell, autore dell’articolo del 1921 sulla datazione radioattiva, mi era familiare per il suo ruolo nello sviluppo del diagramma di Hetzsprung-Russell per le stelle, ma sono stato sorpreso di scoprire che era anche il Russell dell’accoppiamento Russell-Saunders, importante nella teoria della struttura atomica. H. S. Shelton era un filosofo della scienza, critico (come mostrato nel suo contributo, l’articolo del 1915 “Sea-Salt and Geologic Time”) del pensiero sciolto e un difensore dell’evoluzione nei dibattiti.
Il prologo del dramma è il riconoscimento della metà del 19° secolo della relazione tra il calore e altri tipi di energia (vedi l’articolo del 1857 “Source of the Sun’s Heat”). Il primo atto consiste in un attacco diretto, guidato da Lord Kelvin, all’uniformitarismo estremo di quelli come Charles Lyell, che consideravano la terra come indefinitamente vecchia e che, con grande lungimiranza (o grande ingenuità, a seconda dei punti di vista: vedi la terza puntata dell’articolo del 1900 “The Age of the Earth” di W. J. Il secondo atto del dramma vede un prolungato tentativo da parte di una nuova generazione di geologi di stimare l’età della terra a partire dall’evidenza osservativa, di trovare una risposta che soddisfi le richieste del pensiero evoluzionistico recentemente dominante, e di conciliare questa risposta con i vincoli imposti dalla termodinamica. Il terzo atto vede l’ingresso di una nuova serie di leggi fisiche scoperte, quelle che governano la radioattività. La radioattività offriva non solo una soluzione all’enigma dell’approvvigionamento energetico della terra, ma anche una cronologia indipendente da discutibili presupposti geologici e una profondità di tempo più che adeguata per i processi di evoluzione.

Lord Kelvin e i suoi alleati usavano tre tipi di argomenti. Il primo di questi si riferiva al tasso di perdita di calore dalla terra e alla lunghezza del tempo che ci sarebbe voluto per formare la sua crosta solida. Il secondo si riferiva ad argomenti come la forma dettagliata della terra (leggermente rigonfia all’equatore) e la dinamica del sistema terra-luna. Il terzo si riferiva al calore del sole, in particolare alla velocità con cui tale calore viene perso, rispetto alla quantità totale di energia inizialmente disponibile.

Il primo argomento era completamente minato dopo aver preso in considerazione la quantità di calore generato dal decadimento radioattivo. Il secondo dipendeva da teorie molto dubbie sulla formazione della terra e della luna e gioca relativamente poco ruolo in questa compilazione. Il terzo, che alla fine era il più acuto, presentava un problema che sopravviveva alla controversia stessa. Così, quando nel 1919 Shapley dichiarò che per lui la scala temporale radiometrica era pienamente stabilita, riconobbe che non c’era ancora una spiegazione per l’energia del sole. (Non ebbe bisogno di aspettare a lungo. Nel 1920 Sir Arthur Eddington trovò la risposta: la fusione dell’idrogeno in elio.)
In risposta agli attacchi di Lord Kelvin, i geologi usarono due linee principali di ragionamento. Una si riferiva alla profondità dei sedimenti e al tempo che avrebbero impiegato per accumularsi; l’altra si riferiva alla salinità degli oceani, rispetto alla velocità con cui i fiumi li riforniscono di sali di sodio. Col senno di poi, entrambe le teorie erano profondamente sbagliate, per ragioni simili. Assumevano che i tassi attuali di deposizione di sedimenti e di trasporto di sale da parte dei fiumi fossero gli stessi dei tassi storici, nonostante l’evidenza che la nostra epoca è una di attività geologica atipicamente alta. Peggio ancora, hanno misurato le entrate ma ignorato le uscite. Il ciclo della roccia, come ora sappiamo, è guidato dalla tettonica a placche, con materiale sedimentario che scompare nelle zone di subduzione. E gli oceani si sono da tempo avvicinati a qualcosa di simile a uno stato stazionario, con i sedimenti chimici che rimuovono i minerali disciolti con la stessa velocità con cui arrivano.

Nonostante ciò, alla fine del XIX secolo i geologi qui inclusi avevano raggiunto un consenso sull’età della terra di circa 100 milioni di anni. Essendo arrivati così lontano, erano inizialmente piuttosto riluttanti ad accettare un’ulteriore espansione della scala temporale geologica di un fattore 10 o più. E dovremmo resistere alla tentazione di biasimarli per la loro resistenza. La radioattività era poco compresa. Diversi metodi di misurazione (come il decadimento dell’uranio in elio contro il suo decadimento in piombo) a volte davano valori discordanti, e quasi un decennio passava tra il primo uso della datazione radiometrica e la scoperta degli isotopi, per non parlare dell’elaborazione delle tre catene di decadimento principali separate in natura. La costanza dei tassi di decadimento radioattivo era considerata un’assunzione indipendente e discutibile perché non si sapeva – e non si poteva sapere fino allo sviluppo della moderna meccanica quantistica – che questi tassi erano fissati dalle costanti fondamentali della fisica.

Non fu fino al 1926, quando (sotto l’influenza di Arthur Holmes, il cui nome ricorre in tutta questa storia) l’Accademia Nazionale delle Scienze adottò la scala temporale radiometrica, che possiamo considerare la controversia definitivamente risolta. Critici per questa risoluzione sono stati i metodi di datazione migliorati, che hanno incorporato i progressi nella spettrometria di massa, nel campionamento e nel riscaldamento laser. La conoscenza risultante ha portato all’attuale comprensione che la terra ha 4,55 miliardi di anni.

Questo ci porta alla fine di questa serie di articoli, ma non alla fine della storia. Come per molti bei rompicapi scientifici, la questione dell’età della terra si risolve con un esame più rigoroso in componenti distinte. Intendiamo l’età del sistema solare, o della terra come pianeta al suo interno, o del sistema terra-luna, o il tempo trascorso dalla formazione del nucleo metallico della terra, o il tempo trascorso dalla formazione della prima crosta solida? Queste domande rimangono sotto indagine attiva, usando come indizi le variazioni nella distribuzione isotopica, o le anomalie nella composizione dei minerali, che raccontano la storia della formazione e del decadimento degli isotopi a vita breve e lunga. I rapporti isotopici tra gli isotopi stabili sia sulla terra che nei meteoriti vengono esaminati sempre più da vicino, per vedere cosa possono dirci sulle fonti finali degli atomi che compongono il nostro pianeta. Possiamo aspettarci nuove risposte e nuove domande. È così che funziona la scienza.