How Science Figured Out the Age of Earth

Nota redaktora: Poniżej znajduje się wstęp do specjalnej e-publikacji zatytułowanej Determining the Age of the Earth (kliknij link, aby zobaczyć spis treści). Opublikowany na początku tego roku, zbiór czerpie artykuły z archiwów Scientific American. W kolekcji, to wprowadzenie pojawia się z tytułem, „Stumbling Toward an Understanding of Geologic Timescales.”

Arystoteles myślał, że ziemia istniała wiecznie. Rzymski poeta Lukrecjusz, intelektualny spadkobierca greckich atomistów, uważał, że jej powstanie musiało być stosunkowo niedawne, biorąc pod uwagę, że nie było żadnych zapisów sięgających poza wojnę trojańską. Talmudyczni rabini, Martin Luther i inni używali biblijnego opisu do ekstrapolacji na podstawie znanej historii i wymyślili podobne szacunki dotyczące czasu powstania Ziemi. Najsłynniejszy z nich pojawił się w 1654 r., kiedy to arcybiskup Irlandii James Ussher zaproponował datę 4004 r. p.n.e.

W ciągu kilkudziesięciu lat obserwacja zaczęła wyprzedzać takie myślenie. W latach 60-tych XVI wieku Nicolas Steno sformułował nasze nowoczesne koncepcje depozycji warstw poziomych. Wywnioskował on, że tam, gdzie warstwy nie są poziome, musiały być przechylone od czasu ich osadzenia i zauważył, że różne warstwy zawierają różne rodzaje skamieniałości. Robert Hooke, niedługo potem, zasugerował, że zapis kopalny będzie podstawą chronologii, która „znacznie wyprzedzi … nawet same piramidy”. W XVIII wieku rozpowszechniła się budowa kanałów, co doprowadziło do odkrycia warstw skorelowanych na dużych odległościach, a James Hutton uznał, że niezgodności między kolejnymi warstwami oznaczają, iż osadzanie zostało przerwane przez niezwykle długie okresy przechylania i erozji. Do roku 1788 Hutton sformułował teorię cyklicznego osadzania się i wypiętrzania, w której Ziemia jest nieskończenie stara, nie wykazując „żadnego śladu początku, ani perspektywy końca”. Hutton uważał teraźniejszość za klucz do przeszłości, a procesy geologiczne napędzane były przez te same siły, które widzimy w pracy dzisiaj. Stanowisko to stało się znane jako uniformitaryzm, ale w jego ramach musimy rozróżnić między jednolitością prawa naturalnego (którą prawie wszyscy z nas by zaakceptowali) a coraz bardziej wątpliwymi założeniami jednolitości procesu, jednolitości tempa i jednolitości wyniku.

To jest tło intelektualnego dramatu rozgrywającego się w tej serii artykułów. Jest to dramat składający się z prologu i trzech aktów, złożonych postaci, bez wyraźnych bohaterów i złoczyńców. Oczywiście znamy ostateczny wynik, ale nie powinniśmy pozwolić, by wpłynęło to na naszą ocenę tej historii w trakcie jej rozwoju. Tym bardziej nie powinniśmy pozwolić, by ta wiedza wpłynęła na nasz osąd graczy, działających tak, jak działali w swoim czasie, ograniczeni dostępnymi wówczas pojęciami i danymi.

Jedną z wyróżniających się cech tego dramatu jest rola, jaką odegrali w nim ci, którzy sami nie byli geologami lub nie tylko nimi. Najbardziej godny uwagi jest William Thomson, nobilitowany w 1892 roku jako Lord Kelvin, którego teorie stanowią cały rozdział tego zbioru. Był on jednym z dominujących fizyków swoich czasów, epoki pary. Jego osiągnięcia sięgały od pomocy w sformułowaniu praw termodynamiki po doradztwo przy budowie pierwszego transatlantyckiego kabla telegraficznego. Harlow Shapley, który w 1919 roku napisał artykuł na ten temat, był astronomem, odpowiedzialnym za wykrycie przesunięcia ku czerwieni w odległych mgławicach, a więc pośrednio za naszą obecną koncepcję rozszerzającego się wszechświata. Florian Cajori, autor artykułu „The Age of the Sun and the Earth” z 1908 roku, był historykiem nauki, a zwłaszcza matematyki, a Ray Lankester, którego cytuje, był zoologiem. H. N. Russell, autor artykułu z 1921 r. o datowaniu radioaktywnym, był mi znany ze względu na jego udział w opracowaniu diagramu Hetzsprunga-Russella dla gwiazd, ale byłem zaskoczony odkryciem, że był on również Russellem od sprzężenia Russella-Saundersa, ważnego w teorii struktury atomowej. H. S. Shelton był filozofem nauki, krytycznym (jak pokazuje jego wkład, artykuł z 1915 roku „Sea-Salt and Geologic Time”) wobec luźnego myślenia i obrońcą ewolucji w debatach.
Prologiem do dramatu jest uznanie w połowie XIX wieku związku między ciepłem a innymi rodzajami energii (patrz artykuł z 1857 roku „Source of the Sun’s Heat”). Pierwszy akt polega na bezpośrednim ataku, prowadzonym przez Lorda Kelvina, na skrajny uniformitaryzm takich osób jak Charles Lyell, który uważał Ziemię za nieskończenie starą i który z wielką dalekowzrocznością (lub wielką naiwnością, w zależności od punktu widzenia: patrz trzecia odsłona artykułu „The Age of the Earth” z 1900 roku autorstwa W. J. Sollas), założyli, że procesy fizyczne zostaną w końcu odkryte, aby zasilić wielki silnik erozji i wypiętrzania.
Drugi akt dramatu widzi przedłużającą się próbę nowego pokolenia geologów, aby oszacować wiek Ziemi na podstawie dowodów obserwacyjnych, aby wymyślić odpowiedź, która spełniłaby wymagania nowo dominującego myślenia ewolucyjnego i pogodzić tę odpowiedź z ograniczeniami nałożonymi przez termodynamikę. W trzecim akcie pojawia się nowo odkryty zestaw praw fizycznych – tych rządzących radioaktywnością. Radioaktywność oferowała nie tylko rozwiązanie zagadki zaopatrzenia Ziemi w energię, ale także chronologię niezależną od wątpliwych założeń geologicznych oraz głębię czasu bardziej niż odpowiednią dla procesów ewolucji.

Lord Kelvin i jego sprzymierzeńcy używali trzech rodzajów argumentów. Pierwszy z nich odnosił się do tempa utraty ciepła z Ziemi i długości czasu potrzebnego do uformowania jej stałej skorupy. Drugi odnosił się do takich zagadnień, jak szczegółowy kształt Ziemi (lekko wybrzuszonej na równiku) i dynamika układu Ziemia-Księżyc. Trzeci odnosił się do ciepła słonecznego, a zwłaszcza tempa, w jakim to ciepło jest tracone, w porównaniu z całkowitą ilością energii początkowo dostępnej.

Pierwszy argument został całkowicie podważony po uwzględnieniu ilości ciepła generowanego przez rozpad radioaktywny. Drugi opierał się na bardzo wątpliwych teoriach powstawania Ziemi i Księżyca i w tym zestawieniu odgrywa stosunkowo niewielką rolę. Trzecia, która pod koniec była najbardziej dotkliwa, przedstawiała problem, który przewyższył samą kontrowersję. Tak więc, kiedy w 1919 roku Shapley stwierdził, że dla niego radiometryczna skala czasu jest w pełni ustalona, przyznał, że nie ma jeszcze wyjaśnienia dla energii Słońca. (Nie musiał długo czekać. W 1920 roku Sir Arthur Eddington wymyślił odpowiedź: fuzja wodoru w hel.)
W odpowiedzi na ataki Lorda Kelvina geolodzy użyli dwóch głównych linii rozumowania. Jeden odnosił się do głębokości osadów i czasu, jaki zajęłoby ich nagromadzenie; drugi odnosił się do zasolenia oceanów w porównaniu z tempem, w jakim rzeki dostarczają im soli sodowych. Z perspektywy czasu widać, że obie te teorie były głęboko błędne, z podobnych powodów. Zakładały one, że obecne tempo osadzania się osadów i transportu soli przez rzeki jest takie samo jak tempo historyczne, pomimo dowodów na to, że nasz wiek jest okresem nietypowo wysokiej aktywności geologicznej. Co gorsza, mierzyli oni wejścia, ale ignorowali wyjścia. Cykl skalny, jak teraz wiemy, jest napędzany przez tektonikę płyt, z materiałem osadowym znikającym w strefach subdukcji. A oceany już dawno zbliżyły się do czegoś bliskiego stanowi ustalonemu, z osadami chemicznymi usuwającymi rozpuszczone minerały tak szybko, jak się pojawiają.

Niemniej jednak, pod koniec XIX wieku geolodzy, których tu uwzględniono, osiągnęli konsensus co do wieku Ziemi wynoszącego około 100 milionów lat. Doszedłszy tak daleko, byli początkowo dość niechętni do zaakceptowania dalszego rozszerzenia geologicznej skali czasu o czynnik 10 lub więcej. I powinniśmy oprzeć się pokusie, by obwiniać ich za ten opór. Radioaktywność była słabo rozumiana. Różne metody pomiaru (np. rozpad uranu na hel w porównaniu z jego rozpadem na ołów) dawały czasem rozbieżne wartości, a między pierwszym zastosowaniem datowania radiometrycznego a odkryciem izotopów minęła prawie dekada, nie mówiąc już o rozpracowaniu trzech oddzielnych głównych łańcuchów rozpadu w przyrodzie. Stałość tempa rozpadu promieniotwórczego była uważana za niezależne i wątpliwe założenie, ponieważ nie było wiadomo – i nie można było wiedzieć aż do rozwoju nowoczesnej mechaniki kwantowej – że tempo to jest ustalone przez fundamentalne stałe fizyki.

Dopiero w 1926 roku, kiedy to (pod wpływem Arthura Holmesa, którego nazwisko przewija się przez całą tę historię) Narodowa Akademia Nauk przyjęła radiometryczną skalę czasu, możemy uznać kontrowersje za ostatecznie rozstrzygnięte. Kluczowe znaczenie dla tego rozwiązania miały ulepszone metody datowania, które obejmowały postępy w spektrometrii masowej, pobieraniu próbek i ogrzewaniu laserowym. Uzyskana w ten sposób wiedza doprowadziła do obecnego zrozumienia, że Ziemia ma 4,55 miliarda lat.

To prowadzi nas do końca tej serii artykułów, ale nie do końca historii. Jak z tak wiele dobrych zagadek naukowych, pytanie o wiek ziemi rozwiązuje się na bardziej rygorystyczne badania do odrębnych składników. Czy mamy na myśli wiek układu słonecznego, czy Ziemi jako planety w nim, czy układu Ziemia-Księżyc, czy czas od uformowania się metalicznego jądra Ziemi, czy czas od uformowania się najwcześniejszej stałej skorupy? Takie pytania są nadal aktywnie badane, przy użyciu jako wskazówek zmian w dystrybucji izotopów lub anomalii w składzie mineralnym, które opowiadają historię powstawania i rozpadu długo- i krótkożyciowych izotopów. Stosunki izotopowe pomiędzy stabilnymi izotopami zarówno na Ziemi, jak i w meteorytach są coraz dokładniej badane, aby sprawdzić, co mogą nam powiedzieć o ostatecznych źródłach atomów, z których zbudowana jest nasza planeta. Możemy oczekiwać nowych odpowiedzi i nowych pytań. Tak właśnie działa nauka.