Читать книгу Opowieść o początku. Wielka historia wszystkiego - David Enßlen Christian - Страница 24

Pomimo że Hollywood próbuje nam niekiedy to wmówić, wkopanie się głęboko w Ziemię jest niemożliwe. Najgłębszy jak dotąd odwiert mierzy zaledwie około dwunastu kilometrów, co stanowi około 0,2 procent odległości od jądra Ziemi. Odwiert ten został wykonany w ramach badań geologicznych na Półwyspie Kolskim na dalekim północnym zachodzie Rosji. O wnętrzu Ziemi dowiadujemy się dzięki innemu sprytnemu trikowi naukowemu, mianowicie geologicznemu odpowiednikowi zdjęć rentgenowskich. Otóż trzęsienia ziemi generują drgania, które rozchodzą się po wnętrzu Ziemi. Sejsmografy mierzą te drgania w różnych miejscach na jej powierzchni. Zatem porównując wyniki z różnych obszarów, można się dowiedzieć, jak szybko i jak daleko przenikają one wnętrze planety. Wiemy również, że różne rodzaje drgań są przenoszone przez różne materiały z różną prędkością, a ponadto niektóre rozchodzą się tylko w ciałach stałych, podczas gdy inne mogą być przenoszone również przez ciecze. Śledzenie tych wstrząsów za pomocą wielu sejsmografów może nam wiele powiedzieć o wewnętrznej budowie planety.

Określanie wieku Ziemi i wielu innych dotyczących jej dat w nowoczesnej historii początku stało się możliwe dopiero w drugiej połowie XX wieku, a opierało się na pewnej niezwykle sprytnej dziedzinie nauki.

Pierwsze kroki w kierunku odkrycia nowoczesnej historii powstania planety Ziemia zostały podjęte w XVII wieku. Wtedy niektórzy pionierzy współczesnej geologii zdali sobie sprawę, że możliwe jest ustalenie porządku wydarzeń w historii Ziemi, nawet jeśli nikt nie miał pojęcia, kiedy dokładnie wszystko to się wydarzyło. W XVII wieku mieszkający we Włoszech duński ksiądz, Nicholas Steno, wykazał, że dzięki uważnemu badaniu skał osadowych można określić kolejność, w jakiej odkładały się poszczególne warstwy skalne. Wszystkie skały osadowe tworzą się warstwa po warstwie, więc wiemy, że najstarsze warstwy zwykle są położone najgłębiej. Wszystko, co jest powyżej, musi być młodsze.

Na początku XIX wieku angielski geodeta, Willy Smith, wykazał, że w różnych miejscach występują identyczne układy skamielin w formacjach skalnych. Sensowne byłoby zatem założenie, że te podobne skamieliny pochodzą z mniej więcej tego samego okresu, a co za tym idzie, w ten sposób na całym świecie można zidentyfikować warstwy powstałe w tym samym czasie. Tak więc zasady te pozwoliły dziewiętnastowiecznym geologom nakreślić względne ramy czasowe historii Ziemi. Wyznaczona przez nich oś czasu jest nadal spójna z nowoczesnymi geologicznymi systemami datowania i zaczyna się od okresu kambryjskiego, pierwszego okresu, którego warstwy zawierały skamieliny widoczne gołym okiem.

Tymczasem nadal nikt nie wiedział, kiedy ten okres kambryjski nastąpił, a wielu geologów rozpaczało, że nigdy nie uda się ustalić względnych dat powstawania różnych warstw. W 1788 roku James Hutton napisał: „Nie jesteśmy w stanie znaleźć ani śladu początku, ani poznać perspektywy końca”4. Nawet na początku XX wieku jedynym sposobem określania względnej daty jakiegokolwiek wydarzenia było znalezienie pisemnej wzmianki na dany temat. Oznaczało to, jak zauważył H.G. Wells, kiedy tuż po pierwszej wojnie światowej próbował napisać nowoczesną historię początku, że względne ramy czasowe sięgają nie dalej niż kilka tysięcy lat wstecz.

Chociaż H.G. Wells o tym nie wiedział, niektóre z odkryć, pozwalające ostatecznie określać pewne daty, zostały już dokonane. Kluczem do tego było skorzystanie z dobrodziejstw promieniotwórczości, formy energii odkrytej przez Henriego Becquerela w 1896 roku. W atomach o dużych jądrach, takich jak uran, odpychająca siła wielu jednakowo dodatnio naładowanych protonów może zdestabilizować jądro, aż w końcu spontanicznie się ono rozpadnie, emitując wysokoenergetyczne elektrony, fotony, a nawet całe jądra helu. Wraz z wyrzucaniem kawałków jądra pierwiastek przekształca się w inny pierwiastek o mniejszej liczbie protonów. Na przykład uran ostatecznie rozpada się, przyjmując postać ołowiu. W pierwszej dekadzie XX wieku Ernest Rutherford zdał sobie sprawę, że nawet jeśli nie można stwierdzić, kiedy konkretne jądro jest gotowe się rozpaść, to sam rozpad radioaktywny jest bardzo regularnym procesem, o ile rozpad miliardów cząsteczek zostanie uśredniony. Każdy izotop tego samego pierwiastka (izotopy mają taką samą liczbę protonów, ale różnią się liczbą neutronów) rozpada się w różnym, ale regularnym tempie, możliwe jest więc dokładne określenie, ile czasu zajmie rozpad połowy atomów danego izotopu. Na przykład okres połowicznego rozpadu uranu-238 (z 92 protonami i 146 neutronami) wynosi cztery i pół miliarda lat, podczas gdy dla uranu-235 (z 92 protonami i 143 neutronami) jest to siedemset milionów lat.

Rutherford zdał sobie sprawę, że rozpad radioaktywny może stanowić swego rodzaju geologiczny zegar, jeśli uda się ustalić, jak dużo atomów z danej próbki uległo rozpadowi. W 1904 roku próbował on zmierzyć rozpad próbki uranu i stwierdził, że Ziemia liczy sobie około pięciuset milionów lat. Zasadniczo idea była słuszna, ale oszacowanie wieku Ziemi w jego wykonaniu było dość kontrowersyjne, ponieważ okazało się, że Ziemia jest o wiele starsza niż przyjęty powszechnie wiek poniżej stu milionów lat.

Z biegiem czasu coraz większa liczba geologów zaczęła jednak skłaniać się ku założeniu, że Ziemia może być znacznie starsza, niż kiedyś sądzili. Jednak techniczne problemy pomiaru rozpadu promieniotwórczego były wciąż ogromne. Rozwiązano je dopiero pod koniec lat czterdziestych, stosując metody opracowane w ramach Projektu Manhattan, którego celem było wyprodukowanie pierwszej bomby atomowej. Aby stworzyć bombę, konieczne było posortowanie różnych izotopów uranu w celu uzyskania oczyszczonych próbek uranu-235. Amerykański fizyk, Willard Libby, pomógł opracować techniki rozdzielania i mierzenia różnych izotopów uranu, które okazały się kluczowe w kwestii mierzenia rozpadu promieniotwórczego.

W 1948 roku zespołowi Libby’ego udało się podać dokładny wiek materiału z grobowca faraona Dżesera, który został udostępniony przez Metropolitan Museum5. Użyli oni węgla C-14, radioaktywnego izotopu, którego okres połowicznego rozpadu wynosi 5730 lat, co czyni go niezwykle przydatnym instrumentem do badania materiałów organicznych, takich jak drewno. Różne materiały radioaktywne działały w różnych skalach i były przydatne do badania różnych materiałów. Dla geologów rozpad uranu do postaci ołowiu był szczególnie cenny, a fakt, że różne izotopy uranu rozpadały się z rozmaitą szybkością, umożliwił krzyżową weryfikację wyników6. W 1953 roku Clair Patterson określił wiek żelaznego meteorytu, wykorzystując połowiczny rozpad uranu do postaci ołowiu. Postawił on trafne założenie, że meteoryty składają się z pierwotnego materiału pochodzącego z okresu młodego Układu Słonecznego i dlatego możliwe będzie podanie wieku całego Układu Słonecznego. Jego pomiary wskazywały, że Ziemia ma około czterech i pół miliarda lat, dużo więcej, niż oszacował Rutherford. Daty ustalone przez Pattersona obowiązują do dziś.

Jednocześnie z radiometrycznymi technikami datowania pojawiły się też inne techniki, które mogą posłużyć do wzajemnej weryfikacji. Daty w ciągu ostatnich tysiącleci można czasem określić, licząc pierścienie przyrostu starożytnych drzew, takich jak sosna długowieczna, które mogą żyć kilka tysięcy lat. Astronomowie używają własnych technik datowania historii wszechświata, a biolodzy odkryli, że DNA ewoluuje w dość regularnym tempie, więc można z grubsza określić, kiedy rozdzieliły się linie rozwojowe dwóch gatunków pochodzących od wspólnego przodka, mierząc różnice obserwowane w ich genomach. Techniki oparte na dokładnym badaniu procesów takich jak rozpad radioaktywny, a także opracowanie nowych instrumentów do precyzyjnego ich pomiaru pozwoliły ustalić ramy czasowe, wokół których opisujemy naszą nowoczesną historię początku.

Do tej pory przyglądaliśmy się bliżej wzrostowi złożoności obiektów, które co prawda są niezwykle interesujące, ale jednak nieożywione. Za chwilę dotrzemy do jednego z najbardziej podstawowych ze wszystkich interesujących nas progów, mianowicie do pojawienia się życia na Ziemi. W kontekście życia zetkniemy się z zupełnie nowym typem i poziomem złożoności oraz całą serią nowych koncepcji, takich jak informacja, cele, a — ostatecznie nawet świadomość.

Zapraszamy do zakupu pełnej wersji książki

1 Peter Atkins, Chemistry: A Very Short Introduction, Oxford, Oxford University Press, 2015, loc. 788, Kindle.

2 Robert M. Hazen, Evolution of Minerals, „Scientific American” March 2010, s. 61.

3 John Chambers, Jacqueline Mitton, Od pyłu do życia: Pochodzenie i ewolucja Układu Słonecznego, tłum. Beata Kenig, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2018.

4 Doug Macdougall, Why Geology Matters: Decoding the Past, Anticipating the Future, Berkeley, University of California Press, 2011, s. 4.

5 Doug Macdougall, Nature’s Clocks: How Scientists Measure the Age of Almost Everything, Berkeley, University of California Press, 2008, s. 58-60.

6 Tim Lenton, Earth Systems Science: A Very Short Introduction, Oxford, Oxford University Press, 2016, loc. 1297, Kindle.