Hur vetenskapen kom fram till jordens ålder

Redaktörens anmärkning: Följande är inledningen till en särskild e-publikation som heter Determining the Age of the Earth (klicka på länken för att se en innehållsförteckning). Samlingen, som publicerades tidigare i år, bygger på artiklar från Scientific Americas arkiv. I samlingen förekommer denna inledning med titeln ”Stumbling Toward an Understanding of Geologic Timescales.”

Aristoteles trodde att jorden hade funnits i evighet. Den romerske poeten Lucretius, intellektuell arvtagare till de grekiska atomisterna, ansåg att dess bildning måste ha varit relativt ny, med tanke på att det inte fanns några uppgifter som gick längre tillbaka än till det trojanska kriget. De talmudiska rabbinerna, Martin Luther och andra använde den bibliska berättelsen för att extrapolera tillbaka från den kända historien och kom fram till ganska liknande uppskattningar av när jorden uppstod. Den mest berömda kom 1654, när ärkebiskopen James Ussher från Irland föreslog datumet 4004 f.Kr.

Inom några årtionden började observationerna ta över sådant tänkande. På 1660-talet formulerade Nicolas Steno våra moderna begrepp om avlagring av horisontella lager. Han drog slutsatsen att när lagren inte är horisontella måste de ha varit lutande sedan de lades ned och noterade att olika lager innehåller olika typer av fossil. Robert Hooke föreslog kort därefter att fossilregistret skulle ligga till grund för en kronologi som ”långt före … till och med pyramiderna”. Under 1700-talet spreds kanalbyggandet, vilket ledde till upptäckten av lager som korrelerade över stora avstånd, och James Hutton insåg att olikheter mellan på varandra följande lager innebar att avlagringen hade avbrutits av enormt långa perioder av lutning och erosion. År 1788 hade Hutton formulerat en teori om cyklisk avlagring och upphöjning, där jorden var obegränsat gammal och inte visade ”någon spår av en början – ingen utsikt till ett slut”. Hutton ansåg att nuet var nyckeln till det förflutna och att de geologiska processerna drevs av samma krafter som vi kan se i dag. Denna ståndpunkt kom att kallas uniformitarism, men inom den måste vi skilja mellan naturlagens enhetlighet (som nästan alla av oss skulle acceptera) och de alltmer tvivelaktiga antagandena om processens enhetlighet, enhetlig hastighet och enhetligt resultat.

Detta är bakgrunden till det intellektuella drama som utspelar sig i denna serie av artiklar. Det är ett drama som består av en prolog och tre akter, komplexa karaktärer och inga tydliga hjältar eller skurkar. Vi känner naturligtvis till slutresultatet, men vi bör inte låta detta påverka vår uppskattning av historien medan den utspelar sig. Ännu mindre bör vi låta denna kunskap påverka vårt omdöme om aktörerna, som agerade som de gjorde i sin egen tid, begränsade av de begrepp och uppgifter som då var tillgängliga.

Ett framträdande inslag i detta drama är den roll som spelas av dem som själva inte var geologer, eller inte uteslutande var geologer. Mest anmärkningsvärd är William Thomson, adlad till Lord Kelvin 1892, vars teorier utgör ett helt avsnitt av denna samling. Han var en av de dominerande fysikerna under sin tid, ångans tidsålder. Hans prestationer sträckte sig från att hjälpa till att formulera termodynamikens lagar till att ge råd om den första transatlantiska telegrafkabeln. Harlow Shapley, som skrev en artikel i ämnet 1919, var astronom och ansvarig för upptäckten av rödförskjutning i avlägsna nebulosor och därmed, indirekt, för vår nuvarande uppfattning om ett expanderande universum. Florian Cajori, författare till artikeln ”The Age of the Sun and the Earth” från 1908, var vetenskapshistoriker och särskilt matematiker, och Ray Lankester, som han citerar, var zoolog. H. N. Russell, författare till artikeln från 1921 om radioaktiv datering, var bekant för mig för sin roll i utvecklingen av Hetzsprung-Russell-diagrammet för stjärnor, men jag blev förvånad över att upptäcka att han också var Russell för Russell-Saunders koppling, som är viktig inom atomstrukturteorin. H. S. Shelton var en vetenskapsfilosof, kritisk (vilket framgår av hans bidrag, artikeln ”Sea-Salt and Geologic Time” från 1915) till lösryckta tankegångar och en försvarare av evolutionen i debatter.
Prologen till dramat är erkännandet i mitten av 1800-talet av sambandet mellan värme och andra typer av energi (se artikeln ”Source of the Sun’s Heat” från 1857). Den första akten består av ett direkt angrepp, under ledning av Lord Kelvin, på den extrema uniformitarismen hos personer som Charles Lyell, som betraktade jorden som obegränsat gammal och som med stor framsynthet (eller stor naivitet, beroende på vilken synvinkel man har: se den tredje delen av 1900 års artikel ”The Age of the Earth” av W. J. Sollas), som antog att man så småningom skulle upptäcka fysiska processer som skulle driva den stora motorn för erosion och upphöjning.
I den andra akten av dramat ser vi en ny generation geologer göra ett långvarigt försök att uppskatta jordens ålder med hjälp av observationer, att komma fram till ett svar som skulle tillfredsställa kraven från det nyligen dominerande evolutionära tänkandet, och att förena detta svar med de begränsningar som termodynamiken medför. I den tredje akten kommer en nyupptäckt uppsättning fysikaliska lagar in – de som reglerar radioaktivitet. Radioaktiviteten erbjöd inte bara en lösning på gåtan om jordens energiförsörjning utan också en kronologi som var oberoende av tvivelaktiga geologiska antaganden och ett tidsdjup som var mer än tillräckligt för evolutionsprocesserna.

Lord Kelvin och hans allierade använde sig av tre typer av argument. Det första av dessa hänvisade till hastigheten på värmeförlusten från jorden och den tid det skulle ha tagit att bilda dess fasta skorpa. Det andra hänvisade till sådana ämnen som jordens detaljerade form (något utbuktande vid ekvatorn) och dynamiken i jord-måne-systemet. Det tredje hänvisade till solens värme, särskilt den hastighet med vilken denna värme går förlorad jämfört med den totala mängden energi som ursprungligen var tillgänglig.

Det första argumentet undergrävdes helt när man tog hänsyn till den mängd värme som genereras av radioaktivt sönderfall. Det andra var beroende av mycket tvivelaktiga teorier om jordens och månens bildning och spelar relativt liten roll i denna sammanställning. Det tredje, som till slut var det mest akuta, presenterade ett problem som överlevde själva kontroversen. När Shapley 1919 förklarade att för honom var den radiometriska tidsskalan helt etablerad, erkände han att det ännu inte fanns någon förklaring till solens energi. (Han behövde inte vänta länge. År 1920 kom Sir Arthur Eddington med svaret: fusionen av väte till helium.)
Som svar på Lord Kelvins attacker använde geologerna två huvudsakliga resonemang. Den ena hänvisade till djupet på sedimenten och den tid det skulle ha tagit att ackumulera dem, den andra hänvisade till oceanernas salthalt, jämfört med den hastighet med vilken floderna förser dem med natriumsalter. I efterhand kan man konstatera att båda teorierna var djupt felaktiga, av liknande skäl. De utgick från att de nuvarande hastigheterna – sedimentavlagring och salttransport genom floderna – var desamma som de historiska hastigheterna, trots att de hade bevis för att vår egen tidsålder är en tidsålder med atypiskt hög geologisk aktivitet. Vad värre är, de mätte inflöden men ignorerade utflöden. Som vi nu vet drivs stencykeln av plattentektonik, där sedimentärt material försvinner in i subduktionszoner. Och haven har sedan länge närmat sig något som liknar ett stabilt tillstånd, med kemiska sediment som avlägsnar upplösta mineraler lika snabbt som de anländer.

I slutet av 1800-talet hade de geologer som ingick här ändå kommit fram till ett samförstånd om jordens ålder på omkring 100 miljoner år. Efter att ha kommit så långt var de till en början ganska ovilliga att acceptera en ytterligare utvidgning av den geologiska tidsskalan med en faktor 10 eller mer. Och vi bör motstå frestelsen att klandra dem för deras motstånd. Radioaktiviteten var dåligt förstådd. Olika mätmetoder (t.ex. uranets sönderfall till helium jämfört med uranets sönderfall till bly) gav ibland olika värden, och det gick nästan ett decennium mellan den första användningen av radiometrisk datering och upptäckten av isotoper, för att inte tala om att man kunde räkna ut de tre separata stora sönderfallskedjorna i naturen. Konsekvensen av de radioaktiva sönderfallshastigheterna betraktades som ett oberoende och tvivelaktigt antagande eftersom man inte visste – och inte kunde veta förrän den moderna kvantmekaniken utvecklades – att dessa hastigheter var fastställda av fysikens fundamentala konstanter.

Det var inte förrän 1926, när (under inflytande av Arthur Holmes, vars namn återkommer i hela denna berättelse) National Academy of Sciences antog den radiometriska tidsskalan, som vi kan betrakta kontroversen som slutgiltigt löst. Avgörande för denna lösning var förbättrade dateringsmetoder, som innefattade framsteg inom masspektrometri, provtagning och laseruppvärmning. Den resulterande kunskapen har lett till den nuvarande uppfattningen att jorden är 4,55 miljarder år gammal.

Detta tar oss till slutet av denna serie artiklar, men inte till slutet av historien. Som med så många bra vetenskapliga pussel löser sig frågan om jordens ålder vid en noggrannare undersökning i olika komponenter. Menar vi solsystemets ålder, eller jorden som planet i solsystemet, eller systemet jord-måne, eller tiden sedan jordens metalliska kärna bildades, eller tiden sedan den tidigaste fasta jordskorpan bildades? Sådana frågor undersöks fortfarande aktivt, och som ledtrådar används variationer i isotopfördelningen eller anomalier i mineralsammansättningen, som berättar om bildandet och sönderfallet av långlivade kortlivade isotoper som försvunnit. Isotopförhållandena mellan stabila isotoper både på jorden och i meteoriter undersöks allt noggrannare för att se vad de kan säga oss om de slutliga källorna till de atomer som utgör vår planet. Vi kan se fram emot nya svar – och nya frågor. Det är så vetenskapen fungerar.