How Science Figured Out the Age of Earth

Editor’s note: A seguinte é a introdução a uma publicação eletrônica especial chamada Determinando a Idade da Terra (clique no link para ver um índice). Publicada no início deste ano, a coleção extrai artigos dos arquivos da Scientific American. Na coleção, esta introdução aparece com o título, “Tropeçando para um entendimento das Escalas Geológicas de Tempo”

Aristóteles pensava que a Terra tinha existido eternamente. O poeta romano Lucrécio, herdeiro intelectual dos atomistas gregos, acreditava que sua formação deve ter sido relativamente recente, uma vez que não havia registros que remontam à Guerra de Tróia. Os rabinos Talmúdicos, Martinho Lutero e outros usaram o relato bíblico para extrapolar de volta da história conhecida e chegaram a estimativas bastante semelhantes para quando a Terra veio à existência. O mais famoso veio em 1654, quando o Arcebispo James Ussher da Irlanda ofereceu a data de 4004 a.C.

Em décadas a observação começou a ultrapassar tal pensamento. Na década de 1660 Nicolas Steno formulou os nossos modernos conceitos de deposição de estratos horizontais. Ele inferiu que onde as camadas não são horizontais, elas devem ter sido inclinadas desde sua deposição e observou que diferentes estratos contêm diferentes tipos de fósseis. Robert Hooke, não muito tempo depois, sugeriu que o registro fóssil formaria a base para uma cronologia que “antedata de longe… até mesmo as próprias pirâmides”. O século XVIII viu a propagação da construção de canais, o que levou à descoberta de estratos correlacionados em grandes distâncias, e o reconhecimento de James Hutton de que as inconformidades entre camadas sucessivas implicavam que a deposição tinha sido interrompida por períodos enormemente longos de inclinação e erosão. Em 1788 Hutton tinha formulado uma teoria de deposição cíclica e elevação, com a terra indefinidamente velha, mostrando “nenhum vestígio de um começo – nenhuma perspectiva de um fim”. Hutton considerava o presente como a chave do passado, com processos geológicos impulsionados pelas mesmas forças que podemos ver no trabalho de hoje. Esta posição ficou conhecida como uniformitarismo, mas dentro dele devemos distinguir entre a uniformidade da lei natural (que quase todos nós aceitaríamos) e os pressupostos cada vez mais questionáveis de uniformidade de processo, uniformidade de taxa e uniformidade de resultado.

Esse é o pano de fundo do drama intelectual que se desenrola nesta série de trabalhos. É um drama composto por um prólogo e três atos, personagens complexos e sem heróis ou vilões claros. Nós, claro, conhecemos o resultado final, mas não devemos deixar que isso influencie a nossa apreciação da história à medida que ela se desenrola. Muito menos devemos deixar que esse conhecimento influencie nosso julgamento dos jogadores, agindo como eles fizeram em seu próprio tempo, limitados pelos conceitos e dados então disponíveis.

Uma característica marcante desse drama é o papel desempenhado por aqueles que não eram, ou não eram exclusivamente, geólogos. O mais notável é William Thomson, enobrecido para se tornar Lord Kelvin em 1892, cujas teorias compõem uma seção inteira desta coleção. Ele foi um dos físicos dominantes de seu tempo, a Era do Vapor. As suas realizações vão desde ajudar a formular as leis da termodinâmica até ao aconselhamento sobre o primeiro cabo telegráfico transatlântico. Harlow Shapley, que escreveu um artigo em 1919 sobre o assunto, foi um astrônomo, responsável pela detecção do redshift em nebulosas distantes e, portanto, indiretamente, pelo nosso atual conceito de um universo em expansão. Florian Cajori, autor do artigo de 1908 “A Era do Sol e da Terra”, foi um historiador da ciência e, especialmente, da matemática, e Ray Lankester, que ele cita, era um zoólogo. H. N. Russell, autor do artigo de 1921 sobre datação radioativa, era familiar para mim por sua parte no desenvolvimento do diagrama Hetzsprung-Russell para estrelas, mas fiquei surpreso ao descobrir que ele também era o Russell do acoplamento Russell-Saunders, importante na teoria da estrutura atômica. H. S. Shelton foi um filósofo da ciência, crítico (como mostra a sua contribuição, o artigo “Mar-Sal e Tempo Geológico” de 1915) do pensamento solto e um defensor da evolução nos debates.
O prólogo do drama é o reconhecimento em meados do século XIX da relação entre o calor e outros tipos de energia (ver o artigo “Fonte do Calor do Sol” de 1857). O primeiro ato consiste num ataque direto, liderado por Lord Kelvin, ao extremo uniformitarismo daqueles como Charles Lyell, que consideravam a Terra como indefinidamente velha e que, com grande previsão (ou grande ingenuidade, dependendo do seu ponto de vista: veja a terceira parte do artigo “A Idade da Terra” de 1900 de W. J. O segundo ato do drama vê uma tentativa prolongada de uma nova geração de geólogos para estimar a idade da Terra a partir de evidências observacionais, para chegar a uma resposta que satisfaça as exigências do pensamento evolutivo recém-dominado e para conciliar esta resposta com as restrições impostas pela termodinâmica. O terceiro ato vê a entrada de um conjunto de leis físicas recém-descobertas – aquelas que governam a radioatividade. A radioatividade ofereceu não apenas uma resolução para o quebra-cabeças do fornecimento de energia da Terra, mas também uma cronologia independente de pressupostos geológicos questionáveis e uma profundidade de tempo mais do que adequada para os processos de evolução.

O senhor Kelvin e seus aliados usaram três tipos de argumentos. O primeiro deles referia-se à taxa de perda de calor da terra e ao tempo que esta levaria para formar a sua crosta sólida. O segundo referia-se a tópicos como a forma detalhada da terra (ligeiramente saliente no equador) e a dinâmica do sistema terra-lua. O terceiro referia-se ao calor do sol, particularmente a taxa de perda desse calor, em comparação com a quantidade total de energia inicialmente disponível.

O primeiro argumento foi completamente desvirtuado após levar em conta a quantidade de calor gerado pelo decaimento radioativo. O segundo dependia de teorias altamente duvidosas sobre a formação da terra e da lua e desempenha relativamente pouco papel nesta compilação. O terceiro, que no final foi o mais agudo, apresentava um problema que perdurou na própria controvérsia. Assim, quando em 1919 Shapley declarou que para ele a escala de tempo radiométrica estava totalmente estabelecida, ele reconheceu que ainda não havia explicação para a energia do sol. (Ele não precisava esperar muito tempo. Em 1920, Sir Arthur Eddington deu a resposta: a fusão do hidrogênio em hélio.)
Em resposta aos ataques de Lord Kelvin, os geólogos usaram duas linhas principais de raciocínio. Uma referia-se à profundidade dos sedimentos e ao tempo que eles teriam levado para se acumularem; a outra referia-se à salinidade dos oceanos, em comparação com o ritmo a que os rios estão fornecendo-lhes sais de sódio. Em retrospectiva, ambas as teorias foram profundamente desencaminhadas, por razões semelhantes. Assumiram que as taxas actuais de deposição de sedimentos e de transporte de sal pelos rios – eram as mesmas que as taxas históricas, apesar das evidências que tinham de que a nossa idade é de uma actividade geológica atípica e elevada. Pior, eles mediram as entradas mas ignoraram as saídas. O ciclo rochoso, como sabemos agora, é impulsionado pela tectónica das placas, com o material sedimentar a desaparecer em zonas de subducção. E os oceanos há muito tempo se aproximaram de algo próximo a um estado estável, com sedimentos químicos removendo minerais dissolvidos tão rapidamente quanto chegam.

No entanto, no final do século XIX os geólogos incluídos aqui tinham chegado a um consenso para a idade da terra de cerca de 100 milhões de anos. Chegados a esse ponto, inicialmente estavam bastante relutantes em aceitar uma nova expansão do tempo geológico por um fator de 10 ou mais. E deveríamos resistir à tentação de culpá-los pela sua resistência. A radioactividade era mal compreendida. Diferentes métodos de medição (como o decaimento do urânio para o hélio versus o seu decaimento para o chumbo) às vezes davam valores discordantes, e quase uma década se passou entre o primeiro uso da datação radiométrica e a descoberta de isótopos, muito menos o funcionamento das três grandes cadeias de decaimento separadas na natureza. A constância das taxas de decaimento radioativo era considerada como uma suposição independente e questionável porque não era conhecida – e não podia ser conhecida até o desenvolvimento da mecânica quântica moderna – que essas taxas eram fixadas pelas constantes fundamentais da física.

Não foi até 1926, quando (sob a influência de Arthur Holmes, cujo nome se repete ao longo desta história) a Academia Nacional de Ciências adotou a escala de tempo radiométrica, que podemos considerar a controvérsia como finalmente resolvida. Críticas a esta resolução foram os métodos aperfeiçoados de datação, que incorporaram avanços na espectrometria de massa, amostragem e aquecimento a laser. O conhecimento resultante levou ao entendimento atual de que a Terra tem 4,55 bilhões de anos.

Que nos leva ao fim desta série de artigos, mas não ao fim da história. Como em tantos bons quebra-cabeças científicos, a questão da idade da Terra se resolve com um exame mais rigoroso em componentes distintos. Referimo-nos à idade do sistema solar, ou da Terra como planeta dentro dele, ou do sistema Terra-Lua, ou ao tempo desde a formação do núcleo metálico da Terra, ou ao tempo desde a formação da crosta sólida mais antiga? Tais questões permanecem sob investigação activa, usando como pistas variações na distribuição isotópica, ou anomalias na composição mineral, que contam a história da formação e decadência dos isótopos de vida curta de longa duração. As relações isotópicas entre isótopos estáveis, tanto na Terra como nos meteoritos, estão a ser cada vez mais escrutinadas, para ver o que nos podem dizer sobre as fontes últimas dos próprios átomos que compõem o nosso planeta. Podemos esperar por novas respostas – e novas perguntas. É assim que a ciência funciona.