Cum și-a dat seama știința de vârsta Pământului

Nota editorului: Ceea ce urmează este introducerea la o publicație electronică specială numită Determinarea vârstei Pământului (faceți clic pe link pentru a vedea cuprinsul). Publicată la începutul acestui an, colecția preia articole din arhivele revistei Scientific American. În colecție, această introducere apare cu titlul: „Stumbling Toward an Understanding of Geologic Timescales.”

Aristotel credea că Pământul a existat veșnic. Poetul roman Lucretius, moștenitorul intelectual al atomiștilor greci, credea că formarea sa trebuie să fi fost relativ recentă, având în vedere că nu existau înregistrări care să meargă mai departe de războiul troian. Rabinii talmudici, Martin Luther și alții au folosit relatarea biblică pentru a extrapola înapoi din istoria cunoscută și au ajuns la estimări destul de asemănătoare cu privire la momentul în care a luat naștere Pământul. Cea mai faimoasă a venit în 1654, când arhiepiscopul James Ussher al Irlandei a oferit data de 4004 î.Hr.

În câteva decenii, observația a început să depășească astfel de gândire. În anii 1660, Nicolas Steno a formulat conceptele noastre moderne de depunere a straturilor orizontale. El a dedus că, acolo unde straturile nu sunt orizontale, acestea trebuie să fi fost înclinate de la depunerea lor și a observat că diferite straturi conțin diferite tipuri de fosile. Robert Hooke, nu mult timp după aceea, a sugerat că înregistrările fosilelor ar constitui baza unei cronologii care ar fi „cu mult anterioară … chiar și piramidelor”. În secolul al XVIII-lea s-a răspândit construcția de canale, ceea ce a dus la descoperirea straturilor corelate pe distanțe mari și la recunoașterea de către James Hutton a faptului că neconformitățile dintre straturile succesive implicau faptul că depunerea a fost întreruptă de perioade enorm de lungi de înclinare și eroziune. Până în 1788, Hutton a formulat o teorie a depunerii și ridicării ciclice, în care Pământul era nedefinit de vechi, neprezentând „niciun vestigiu al unui început – nicio perspectivă de sfârșit”. Hutton considera că prezentul este cheia trecutului, procesele geologice fiind conduse de aceleași forțe ca și cele pe care le putem vedea la lucru astăzi. Această poziție a ajuns să fie cunoscută sub numele de uniformitarianism, dar în cadrul ei trebuie să distingem între uniformitatea legii naturale (pe care aproape toți am accepta-o) și ipotezele din ce în ce mai discutabile ale uniformității procesului, uniformității ritmului și uniformității rezultatului.

Acesta este fundalul dramei intelectuale care se joacă în această serie de lucrări. Este o dramă care constă într-un prolog și trei acte, cu personaje complexe și fără eroi sau răufăcători clari. Noi, desigur, cunoaștem rezultatul final, dar nu ar trebui să lăsăm acest lucru să ne influențeze aprecierea poveștii pe măsură ce se desfășoară. Cu atât mai puțin ar trebui să lăsăm ca această cunoaștere să ne influențeze judecata noastră asupra actorilor, care au acționat așa cum au făcut-o în timpul lor, constrânși de conceptele și datele disponibile atunci.

O caracteristică remarcabilă a acestei drame este rolul jucat de cei care nu au fost ei înșiși, sau nu exclusiv, geologi. Cel mai notabil este William Thomson, înnobilat pentru a deveni Lord Kelvin în 1892, ale cărui teorii alcătuiesc o întreagă secțiune a acestei colecții. El a fost unul dintre fizicienii dominanți ai epocii sale, epoca aburului. Realizările sale variază de la contribuția la formularea legilor termodinamicii până la consultanță pentru primul cablu telegrafic transatlantic. Harlow Shapley, care a scris un articol pe această temă în 1919, a fost un astronom, responsabil pentru detectarea deplasării spre roșu în nebuloasele îndepărtate și, prin urmare, indirect, pentru conceptul nostru actual de univers în expansiune. Florian Cajori, autorul articolului din 1908 „Vârsta Soarelui și a Pământului”, era un istoric al științei și, mai ales, al matematicii, iar Ray Lankester, pe care îl citează, era zoolog. H. N. Russell, autorul articolului din 1921 despre datarea radioactivă, îmi era cunoscut pentru rolul său în elaborarea diagramei Hetzsprung-Russell pentru stele, dar am fost surprins să descopăr că el a fost, de asemenea, Russell al cuplului Russell-Saunders, important în teoria structurii atomice. H. S. Shelton a fost un filozof al științei, critic (așa cum reiese din contribuția sa, articolul din 1915 „Sea-Salt and Geologic Time”) al gândirii laxe și un apărător al evoluției în dezbateri.
Prologul dramei este recunoașterea, la mijlocul secolului al XIX-lea, a relației dintre căldură și alte tipuri de energie (vezi articolul din 1857 „Source of the Sun’s Heat”). Primul act constă într-un atac direct, condus de lordul Kelvin, la uniformitarianismul extrem al celor ca Charles Lyell, care considerau Pământul ca fiind nedefinit de vechi și care, cu o mare clarviziune (sau o mare naivitate, în funcție de punct de vedere: a se vedea a treia tranșă a articolului din 1900 „Vârsta Pământului” de W. J. Sollas), au presupus că în cele din urmă vor fi descoperite procese fizice care să alimenteze marele motor al eroziunii și ridicării.
Actul al doilea al dramei vede o încercare prelungită a unei noi generații de geologi de a estima vârsta Pământului pe baza dovezilor observaționale, de a găsi un răspuns care să satisfacă cerințele gândirii evoluționiste nou dominante și de a reconcilia acest răspuns cu constrângerile impuse de termodinamică. În cel de-al treilea act intră în scenă un set de legi fizice nou descoperite – cele care guvernează radioactivitatea. Radioactivitatea oferea nu numai o rezolvare a enigmei aprovizionării cu energie a Pământului, ci și o cronologie independentă de ipoteze geologice discutabile și o adâncime a timpului mai mult decât adecvată pentru procesele evoluției.

Lord Kelvin și aliații săi au folosit trei tipuri de argumente. Primul dintre acestea se referea la rata de pierdere a căldurii de pe Pământ și la durata de timp care ar fi fost necesară pentru formarea crustei sale solide. Al doilea se referea la subiecte precum forma detaliată a Pământului (ușor bombată la ecuator) și dinamica sistemului Pământ-Lună. Al treilea se referea la căldura soarelui, în special la rata cu care se pierde această căldură, în comparație cu cantitatea totală de energie disponibilă inițial.

Primul argument a fost complet subminat după ce s-a luat în considerare cantitatea de căldură generată de dezintegrarea radioactivă. Al doilea depindea de teorii extrem de dubioase privind formarea Pământului și a Lunii și joacă un rol relativ puțin important în această compilație. Cel de-al treilea, care până la urmă a fost cel mai acut, a prezentat o problemă care a supraviețuit controversei însăși. Astfel, atunci când, în 1919, Shapley a declarat că pentru el scara temporală radiometrică era pe deplin stabilită, el a recunoscut că nu exista încă nicio explicație pentru energia solară. (Nu a fost nevoie să aștepte mult timp. În 1920, Sir Arthur Eddington a venit cu răspunsul: fuziunea hidrogenului în heliu.)
În replică la atacurile Lordului Kelvin, geologii au folosit două linii principale de raționament. Una se referea la adâncimea sedimentelor și la timpul de care ar fi avut nevoie pentru a se acumula; cealaltă se referea la salinitatea oceanelor, în comparație cu ritmul în care râurile le alimentează cu săruri de sodiu. Privind retrospectiv, ambele teorii au fost profund eronate, din motive similare. Ele au presupus că ratele actuale – de depunere a sedimentelor și de transport al sării de către râuri – sunt aceleași cu cele istorice, în ciuda dovezilor pe care le aveau că epoca noastră este una cu o activitate geologică atipică. Mai rău, au măsurat intrările, dar au ignorat ieșirile. Ciclul rocilor, așa cum știm acum, este determinat de tectonica plăcilor, iar materialul sedimentar dispare în zonele de subducție. Iar oceanele s-au apropiat de mult timp de ceva apropiat de o stare de echilibru, sedimentele chimice eliminând mineralele dizolvate la fel de repede cum ajung.

Cu toate acestea, la sfârșitul secolului al XIX-lea, geologii incluși aici au ajuns la un consens pentru vârsta Pământului de aproximativ 100 de milioane de ani. După ce au ajuns atât de departe, ei au fost inițial destul de reticenți în a accepta o nouă extindere a scării temporale geologice de un factor de 10 sau mai mult. Și ar trebui să rezistăm tentației de a-i învinovăți pentru rezistența lor. Radioactivitatea era prost înțeleasă. Diferite metode de măsurare (cum ar fi descompunerea uraniului în heliu față de descompunerea sa în plumb) dădeau uneori valori discordante, iar între prima utilizare a datării radiometrice și descoperirea izotopilor a trecut aproape un deceniu, ca să nu mai vorbim de elaborarea celor trei lanțuri majore de descompunere separate din natură. Constanța ratelor de dezintegrare radioactivă era privită ca o ipoteză independentă și discutabilă, deoarece nu se știa – și nu se putea ști până la dezvoltarea mecanicii cuantice moderne – că aceste rate erau fixate de constantele fundamentale ale fizicii.

Nu până în 1926, când (sub influența lui Arthur Holmes, al cărui nume revine de-a lungul acestei povești) Academia Națională de Științe a adoptat scara de timp radiometrică, putem considera controversa ca fiind în sfârșit rezolvată. Esențiale pentru această rezolvare au fost metodele îmbunătățite de datare, care au încorporat progresele în materie de spectrometrie de masă, eșantionare și încălzire cu laser. Cunoștințele rezultate au dus la înțelegerea actuală a faptului că Pământul are o vechime de 4,55 miliarde de ani.

Aceasta ne duce la sfârșitul acestei serii de articole, dar nu și la sfârșitul poveștii. La fel ca în cazul multor enigme științifice bune, problema vârstei Pământului se rezolvă de la sine la o examinare mai riguroasă în componente distincte. Ne referim la vârsta sistemului solar, sau a Pământului ca planetă în cadrul acestuia, sau a sistemului Pământ-Lună, sau la timpul scurs de la formarea miezului metalic al Pământului, sau la timpul scurs de la formarea celei mai vechi cruste solide? Astfel de întrebări fac în continuare obiectul unor cercetări active, folosind ca indicii variațiile în distribuția izotopică sau anomaliile în compoziția minerală, care spun povestea formării și dezintegrării izotopilor cu viață scurtă, care au dispărut de mult timp. Rapoartele izotopice între izotopii stabili, atât pe Pământ, cât și în meteoriți, fac obiectul unei examinări din ce în ce mai atente, pentru a vedea ce ne pot spune despre sursele finale ale atomilor care alcătuiesc planeta noastră. Ne putem aștepta la noi răspunsuri – și la noi întrebări. Acesta este modul în care funcționează știința.

.