„Pytanie Matki Ziemi, ile ma lat, jest nieuprzejme”. Naukowcy od dawna jednak dążą do uzyskania odpowiedzi

Czas jest naszą obsesją. Odmierzamy go nieustannie – zarówno na użytek prywatny, jak i na potrzeby stworzonej przez nas cywilizacji technicznej, która rozsypałaby się błyskawicznie, gdybyśmy zatrzymali zegary. Aby go mierzyć, stworzyliśmy długą listę jednostek: od najmniejszych, jak attosekunda, po ogromne, jak era czy eon. Obie skrajności są trudne do wyobrażenia – właściwie niewyobrażalne. Z percepcją czasu radzimy sobie bowiem znacznie gorzej niż z jego pomiarem. Ogarniamy to, co mieści się w ludzkiej skali, rozpiętej gdzieś między sekundą a setką lat, których dożycia życzymy sobie wzajemnie w urodzinowych życzeniach. Głowa wyćwiczona w podróżach historycznych być może jeszcze poradzi sobie z wyobrażeniem kilku tysiącleci, jakie upłynęły od zbudowania piramid egipskich, ale jak pojąć dystans liczony w milionach lat, nie mówiąc już o miliardach?

Jest to tym trudniejsze, że jeszcze do niedawna nikt nie wiedział, jak stary jest nasz glob. Najwybitniejszym XIX-wiecznym uczonym nie przyszłoby do głowy, że w jego „akcie urodzenia” trzeba będzie wpisać dziesięciocyfrową liczbę. Dowiedzieliśmy się tego dopiero na początku XX w., a dokładną metrykę poznaliśmy 70 lat temu, gdy pewien geochemik z amerykańskiego California Institute of Technology sięgnął po fragmenty meteorytu, który dawno temu spadł w Arizonie.

Ów naukowiec nazywał się Clair Patterson, a jego pasją – i później także przekleństwem – stał się pierwiastek ołowiu. W styczniu 1956 r. wysłał do czasopisma „Geochimica et Cosmochimica Acta” artykuł, w którym opisał, jak dzięki trzem izotopom ołowiu i kilku kawałkom meteorytów określił wiek Ziemi.

Jednak Patterson nie pojawił się znikąd. Przed nim był ktoś, kto podjął trud przełamywania starych schematów myślenia o dziejach Ziemi. Jak zawsze, stare trzymało się mocno – nauka nie jest tu żadnym wyjątkiem. Bez rewolucjonistów, często upartych samotników napotykających opór większości badaczy, którzy niechętnie przyjmują nowe idee, wciąż tkwilibyśmy w czasach przedkopernikańskich. Śmiałe teorie prowadzące do odrzucenia starego paradygmatu formułowali zwykle nieliczni – najczęściej młodzi lub outsiderzy, którzy nie zdążyli jeszcze nasiąknąć zbiorową mądrością swojej dyscypliny. Tak było również w tym przypadku. Ale po kolei, bo chronologia ma w tej historii kluczowe znaczenie…

Czytaj też: Kiedy lód skuł cały świat? Cud, że z tego wyszliśmy. Ta opowieść mrozi krew w żyłach

Narodziny nowej metody

Pod koniec pierwszej dekady XX w. pewien młody człowiek zmagał się w uczelnianym laboratorium z próbkami skał, które wcześniej pracowicie zmielił. Wybierał z nich minerały, a następnie określał zawartość ołowiu i uranu. Było to zajęcie czasochłonne i monotonne, dla wielu wręcz potwornie nudne. Ów student należał jednak do osób wyjątkowo upartych. Każdego ranka pojawiał się w pracowni i zasiadał nad aparaturą, odchodząc od niej dopiero po kilkunastu godzinach. Tak wyglądały jego dni przez wiele miesięcy. Był całkowicie pochłonięty swoją pracą, jakby była wciągającą grą. W końcu dotarł do szczęśliwego finału.

Tym ambitnym studentem był Arthur Holmes. Urodził się w 1890 r. w północnej Anglii, a 17 lat później przybył do Londynu, by studiować fizykę i geologię w Imperial College of Science. Otrzymał stypendium, które ledwo wystarczało na przeżycie, ale początkowo nie miało to dla niego większego znaczenia. Holmesa interesowało tylko jedno: wyznaczenie wieku Ziemi za pomocą nowych metod, które pojawiły się wraz z odkryciem promieniotwórczości.

Pod koniec XIX w. lista odpowiedzi na pytanie o wiek Ziemi była już długa i zróżnicowana. Najbardziej skrajną – choć od dawna nietraktowaną poważnie – zaproponował w XVII w. irlandzki arcybiskup James Ussher, który po analizie Starego Testamentu uznał, że Ziemia powstała w 4004 r. p.n.e. Jednym z pierwszych, którzy uznali ten pogląd za niedorzeczność, był XVIII-wieczny francuski naturalista Georges-Louis Leclerc. W swoim laboratorium rozgrzewał żelazne kule i obserwował tempo ich stygnięcia, próbując w ten sposób oszacować, jak szybko Ziemia traciła ciepło. Doszedł do wniosku, że ma ona 75–150 tys. lat. Za tę śmiałość został potępiony przez teologów z ultrakatolickiej Sorbony.

Następne stulecie przyniosło odkrycia, które francuskich teologów mogłyby przyprawić o zawrót głowy. Na początku XIX w. geolodzy coraz częściej dochodzili do wniosku, że nasz glob jest zdecydowanie za młody jak na mnogość er, okresów i epok geologicznych, które z upodobaniem wydzielali. Do podobnych konkluzji dochodzili także biolodzy i paleontolodzy, znajdujący coraz liczniejsze skamieniałości wymarłych gatunków. Nie chcieli wierzyć, że cała ta menażeria przemaszerowała przez Ziemię w ciągu zaledwie kilkuset tysięcy lat, nie mówiąc już o wyliczeniach Usshera. Uczeni potrzebowali nie dziesiątek, lecz setek milionów lat. Nikt jednak nie miał pojęcia, jak je wyliczyć.

Wtedy pojawił się lord Kelvin. Ten wielki fizyk zainteresował się wiekiem Ziemi w latach 60. XIX w., a następnie przez cztery kolejne dekady regularnie powracał do tego tematu, dysponując przy tym znaczną siłą przekonywania. Kelvin przyjął, że nasz glob był początkowo kulą płynnej magmy, która stopniowo stygła. Ocenił, że potrzeba od ok. 20 do 40 mln lat, aby temperatura na jego powierzchni osiągnęła obecne wartości. W kolejnych wyliczeniach starał się zawęzić margines błędu. W ostatniej pracy z końca XIX w. dowodził, że Ziemia ma niemniej niż 20 mln lat i niewięcej niż 40 mln lat.

W czasie, gdy lord Kelvin wykonywał obliczenia do swojej ostatniej pracy na temat wieku Ziemi, inny fizyk Antoine Henri Becquerel ze zdumieniem odkrywał w Paryżu, że istnieją substancje emitujące tajemnicze promieniowanie, które prześwietla płytę fotograficzną. Było to w styczniu 1896 r. Dalsze badania nad promieniotwórczymi związkami prowadzili Maria Skłodowska-Curie i jej mąż Piotr Curie. Cała trójka otrzymała za to Nagrodę Nobla w 1903 r. Mniej więcej wtedy Ernest Rutherford i jego młodszy kolega Frederick Soddy zauważyli, że atomy jednych pierwiastków radioaktywnych przekształcają się w atomy innych pierwiastków, a zmianie tej towarzyszy emisja różnych rodzajów promieniowania. Ustalili też, że każdy pierwiastek promieniotwórczy ma stałe tempo zaniku. Kolejny badacz Bertram Boltwood odkrył, że końcowym produktem rozpadu uranu jest ołów. Swoje badania przedstawił w 1907 r.

Rewolucjonista Holmes

W tym samym 1907 r. zdarzyły się jeszcze dwie ważne rzeczy. Umarł 83-letni lord Kelvin, a 17-letni Arthur Holmes zgłosił się do Imperial College, by prowadzić badania, które zlecił mu jego przełożony i mentor Robert Strutt, profesor fizyki i czwarty baron Rayleigh w jednej osobie. Najpierw do analiz trafiły skały z Norwegii. Pochodziły z dolnego dewonu. Geolodzy potrafili już z dużą precyzją ustawiać po kolei warstwy skalne. Wiedzieli, które z nich są młodsze, a które starsze. Nie mieli jednak bladego pojęcia, czy liczą dziesiątki tysięcy, czy może setki milionów lat.

Holmes miał się na początku dowiedzieć, jak stary jest dolny dewon. Sięgnął po metodę Boltwooda. Znał tempo zamiany uranu w ołów, teraz musiał zmierzyć zawartość obu pierwiastków w skałach. To była właśnie ta mozolna praca, nad którą biedził się miesiącami. W końcu dotarł do mety. Norweskie skały wedle jego wyliczeń miały – bagatela! – 370 mln lat. Zapachniało sensacją. Wszak dopiero co Kelvin dowodził, że cała planeta ma nieco ponad 20 mln lat. A przecież przed dewonem były inne okresy geologiczne. Zamówiono kolejny transport skał z różnych części świata. Pochodziły z karbonu, syluru, ordowiku oraz z ery prekambryjskiej. Te ostatnie przywieziono z trzech miejsc: Szwecji, USA i Cejlonu. Holmes określił ich wiek odpowiednio na 1,0–1,3 mld lat, 1,3–1,4 mld lat oraz 1,6 mld lat. To był szok. Wyglądało na to, że Ziemia może być setki razy starsza, niż dotychczas sądzono.

Pewnego marcowego dnia w 1911 r., gdy wszystkie badania były już zakończone, Holmes – pomiędzy śniadaniem a obiadem – napisał krótki artykuł, w którym ogłaszał rewolucję w pomiarach wieku Ziemi – i że może ona mieć 1,6 mld lat. Praca przeszła bez echa albo sprowokowała lekceważące komentarze. Wierzono Kelvinowi, a nie 21-latkowi. On jednak się tym nie przejął. Uznał, że odtąd jego powołaniem będzie rozwijanie metod datowania prastarych skał oraz ustalenie wieku Ziemi. Pełen młodzieńczej pasji postanowił też edukować starszych kolegów po fachu. Swoje tezy powtórzył w opublikowanej dwa lata później niewielkiej książce „The Age of the Earth”. Zaczynała się od słów: „Zapewne nie jest uprzejmie wypytywać Matkę Ziemię, ile ma lat. Jednak naukowiec nie powinien być nieśmiały, lecz śmiało dążyć do poznania sekretu”.

Holmes faktycznie nie okazał respektu Ziemi i uczynił z niej staruszkę. Geologów zachęcał, aby poszli w jego ślady, ale chętnych do podjęcia trudnych badań nie było widać na horyzoncie, a stały się jeszcze bardziej żmudne po tym, jak Soddy odkrył w 1913 r. istnienie izotopów. Był to przełomowy moment w rozwoju metod datowania, jednakże fizycy nie interesowali się geologią, natomiast większość geologów ciągnęło w teren, a nie do laboratorium. Dlatego niemal nikt nie kibicował pionierskim badaniom. Niewielu je zresztą rozumiało.

Pewnego dnia Holmes zjawił się w siedzibie Geological Society w Londynie, aby opowiedzieć, jak można datować skały dzięki izotopom uranu i ołowiu. „Podczas dyskusji okazało się, że poza mną nikt nie wie, co to takiego są te izotopy” – wspominał rozczarowany. Co więcej, kolejne uczelnie odrzucały podania Holmesa o pracę. W końcu trafił na prowincjonalny uniwersytet w Durham, gdzie został jedynym pracownikiem nowo otwartego wydziału geologii. Mimo to ściągał skały z całego świata i datował, datował, datował. Uparcie wydłużał wiek Ziemi, dochodząc do 3 mld lat, co niektórzy uznali za przesadę, ale to on ostatecznie wygrał. Opór naukowego establishmentu słabł pod naporem trudnych do zignorowania faktów.

Genialny spektrometr

W nauce nowe instrumenty są równie ważne jak nowe teorie. Nie byłoby współczesnej astronomii bez teleskopu, biologii bez mikroskopu ani fizyki jądrowej bez akceleratorów cząstek – przykłady można mnożyć. Wieku Ziemi nie poznalibyśmy z kolei, gdyby nie genialny instrument zwany spektrometrem mas, dzięki któremu już w pierwszych dekadach XX w. zaczęto poznawać strukturę związków chemicznych, a także ich skład pierwiastkowy i izotopowy. W ten sposób odkryto, że ołów ma cztery stabilne izotopy o liczbach masowych 204, 206, 207 i 208. Tylko pierwszy z nich nie pochodzi z rozpadu promieniotwórczego cięższych pierwiastków, natomiast dwa kolejne – ołów-206 i ołów-207 – są końcowym produktem rozpadu – odpowiednio – uranu-238 i uranu-235. Oznacza to, że z czasem w materiale wyjściowym – niech będzie nim nowo powstała skała – zaczyna ubywać obu izotopów uranu, które w stałym tempie zastępowane są przez izotopy ołowiu. Znając tempo tych przemian oraz proporcje izotopów, można ustalić moment narodzin skały.

Z tej wiedzy skorzystał Holmes, gdy zaraz po drugiej wojnie światowej określił wiek Ziemi na 3,35 mld lat. Nawiasem mówiąc, podobny wynik – korzystając z identycznej metody datowania – uzyskał Fritz Houtermans, urodzony w Sopocie fizyk jądrowy, który również był postacią nietuzinkową (członek Niemieckiej Partii Komunistycznej, pracujący nad bombą atomową dla hitlerowskich Niemiec). Obaj jednak w swoich datowaniach wykorzystywali skały pochodzenia ziemskiego. Rzecz w tym, że powierzchnię naszej aktywnej geologicznie planety tworzą wielkie płyty litosfery, pozostające w nieustannym ruchu. W wyniku ich zderzeń oblicze globu jest stale odmładzane. Z tego powodu nie znajdziemy na nim skał z jego najwcześniejszego, „niemowlęcego” okresu.

Meteoryty Pattersona

Tym, który wpadł na genialny pomysł, by zamiast po skały ziemskie sięgnąć po meteoryty kamienne i żelazne, był Clair Patterson. Założył, że są pozostałościami prastarej materii, z której w krótkim czasie uformowały się w Układzie Słonecznym zalążki planet (planetozymale), a z nich planety. Ideę planetozymali Patterson pożyczył ze sformułowanej na początku XX w. hipotezy, wedle której Układ Słoneczny powstał w wyniku przejścia w pobliżu młodego Słońca innej gwiazdy. Wówczas miało utracić część materii, z której ulepione zostały najpierw mniejsze, a potem większe globy. Hipotezę tę odesłano później do lamusa, ale planetozymale pozostały i odgrywają kluczową rolę we współczesnych teoriach formowania się planet.

Patterson zaczynał tak samo jak Holmes – od ślęczenia całymi dniami w laboratorium. Jego mentor Harrison Brown zaraz po drugiej wojnie światowej wpadł na pomysł, by metodą ołowiową mierzyć wiek nie skał, lecz wchodzących w ich skład cyrkonów – niezwykle odpornych, niemal niezniszczalnych minerałów. Realizacja tego pomysłu okazała się zajęciem niezwykle żmudnym i większość ludzi uznałaby je za śmiertelnie nudne. Na dodatek niemal od razu okazało się, że próbki, które Patterson ściągał do pracowni, w krótkim czasie ulegały zanieczyszczeniu przez obecny w atmosferze ołów. Obecność tego ołowiu zaskoczyła go i uniemożliwiała datowanie. Wyjaśnienie zagadki odłożył na później, a tymczasem zajął się budową sterylnego laboratorium, w którym przystąpił do określania wieku cyrkonów. Po sześciu latach napisał obszerną publikację na ten temat, ale wiek Ziemi wciąż pozostawał nieznany.

Wtedy Patterson sięgnął po meteoryty – trzy kamienne i dwa żelazne – a w celach porównawczych także po próbki współczesnych osadów znad Pacyfiku i Atlantyku. Umieszczał je w spektrometrze mas, by określić proporcje izotopów ołowiu. Najważniejszy okazał się meteoryt, którego upadek utworzył Meteor Crater. Liczne kawałki kosmicznego intruza – największy z nich waży 639 kg – odnaleziono w ciągu ostatnich 200 lat w promieniu kilku kilometrów od miejsca jego upadku. Wiele odkryto w wąwozie Canyon Diablo, od którego przybysz z kosmosu otrzymał nazwę. Należy do klasy meteorytów żelaznych, bogatych w minerały, w tym troilit, będący siarczkiem żelaza. To w nim Patterson dokonał finalnego pomiaru wieku meteorytu. Gdy uzyskał wynik 4,55 mld lat (przy marginesie błędu wynoszącym 70 mln lat), był ponoć tak podekscytowany, że – jak pisze Bill Bryson w „Krótkiej historii prawie wszystkiego” – najpierw pojechał do szpitala, podejrzewając u siebie atak serca.

Kiedy ochłonął, usiadł do pracy nad publikacją opisującą przełomowe odkrycie, a następnie zajął się zagadką zanieczyszczeń ołowiowych unoszących się w atmosferze. Szybko wykazał, że pochodzą ze spalania benzyny ołowiowej, i rozpoczął trwającą trzy dekady kampanię na rzecz jej wyeliminowania. Napotkał przy tym ogromny opór ze strony branży naftowej i powiązanych z nią naukowców. Ostatecznie wygrał tę batalię, toczoną najpierw samotnie, a później wspólnie z garstką pediatrów badających spowodowane przez ołów zaburzenia rozwoju układu nerwowego u dzieci. Benzyna ołowiowa została wycofana (z małymi wyjątkami). W tym czasie inni badacze na podstawie badań kolejnych meteorytów doszli do wniosku, że Ziemia jest być może odrobinę młodsza i liczy 4,54 mld lat przy błędzie pomiaru wynoszącym 50 mln lat.