Επιστημονική Μέτρηση Χρόνου για Προϊστορικά Χρόνια

Τα ραδιενεργά ρολόγια μετρούν το χρόνο κατά εκατομμύρια χρόνια αλλά πόσο ακριβή είναι στις μετρήσεις τους;

Αυτό, καθώς και τα επόμενα δύο άρθρα, περιγράφουν και εκτιμούν τα διαφορετικά μέσα ραδιενεργούς χρονολόγησης που χρησιμοποιούν οι γεωλόγοι για να μετρήσουν την ηλικία πετρωμάτων και την ηλικία υπολειμμάτων οργανισμών που έζησαν κάποτε. Έχουν γραφτεί από έναν πυρηνικό φυσικό με πολυετή πείρα, και στην έρευνα και στον βιομηχανικό τομέα της ραδιενέργειας.

«Το πηγάδι είναι πλούσιο σε αρχαιολογικά ευρήματα. Υπολείμματα ηλικίας 10.000 ετών τοποθετούν ανθρώπους στη Φλώριδα κατά την Περίοδο των Παγετώνων, πιστεύουν οι επιστήμονες».

«Ξεθάφτηκε η αρχαιότερη καλύβα της λίθινης εποχής κοντά στην Οσάκα της Ιαπωνίας. Οι αρχαιολόγοι υπολογίζουν την ηλικία της 22.000 χρόνια περίπου».

«Πριν από ένα εκατομμύριο χρόνια κυλούσε ένα ποτάμι μέσα από την ανατολική Κορόνα (της Καλιφόρνιας) και μαστόδοντες, καμήλες, άλογα και κουνέλια περιλαμβάνονταν ανάμεσα στα προϊστορικά ζώα που σύχναζαν στις όχθες του».

ΟΙ παραπάνω πρόσφατοι ισχυρισμοί είναι αντιπροσωπευτικοί του είδους που ανακοινώνουν ανακαλύψεις που γίνονται από αρχαιολόγους και παλαιοντολόγους. Το πρώτο πράγμα που θέλουν να μάθουν οι άνθρωποι για ένα νέο εύρημα είναι, Πόσο παλιό είναι; Ο επιστήμονας που μιλάει στους δημοσιογράφους είναι πάντα έτοιμος να δώσει μια απάντηση, είτε αυτή βασίζεται σε αποδείξεις, είτε απλώς σε εικασίες.

Όταν διαβάζετε τέτοιες ειδήσεις, σας περνάει ποτέ από το μυαλό η ερώτηση, Πώς το ξέρουν; Πόσο βέβαιο είναι ότι έζησαν άνθρωποι στη Φλώριδα πριν από 10.000 χρόνια, και στην Ιαπωνία πριν από 22.000 χρόνια, ή ότι οι μαστόδοντες και οι καμήλες περιφέρονταν στις εκτάσεις της Καλιφόρνιας πριν από ένα εκατομμύριο χρόνια;

Υπάρχουν πολλές και διαφορετικές επιστημονικές μέθοδοι μέτρησης της ηλικίας αρχαίων λειψάνων. Μερικές είναι πιο αξιόπιστες από άλλες, αλλά καμιά δεν είναι τόσο ακριβής όσο η χρονολόγηση που βασίζεται στη γραπτή ιστορία. Αλλά η γραπτή ιστορία του ανθρώπου πηγαίνει πίσω στο παρελθόν μόνο για 6.000 χρόνια το πολύ. Όταν ανατρέχουμε ακόμα πιο πίσω, τότε η επιστημονική μέτρηση του χρόνου είναι όλο αυτό που έχουμε.

Η Ραδιενεργός Μέτρηση του Χρόνου

Από τις διάφορες μεθόδους επιστημονικής μέτρησης του χρόνου, οι πιο αξιόπιστες είναι τα ραδιενεργά ρολόγια. Βασίζονται στις ταχύτητες διάσπασης των ραδιενεργών στοιχείων. Ενώ άλλες μέθοδοι βασίζονται στη φθορά που φέρνει ο χρόνος και η οποία μπορεί να επέλθει γρηγορότερα ή βραδύτερα κάτω από διαφορετικές συνθήκες περιβάλλοντος, όπως είναι για παράδειγμα οι αλλαγές θερμοκρασίας, η ταχύτητα της ραδιενεργούς διάσπασης έχει αποδειχτεί ότι παραμένει ανεπηρέαστη κάτω από τις πιο αντίξοες εξωτερικές συνθήκες.

Το Ρολόι του Ουρανίου-Μολύβδου

Μπορούμε να περιγράψουμε αυτή τη μέθοδο χρησιμοποιώντας το παράδειγμα του πρώτου ραδιενεργού ρολογιού που κατασκευάστηκε, εκείνου που βασίζεται στη διάσπαση του ουρανίου και τη μεταστοιχείωσή του σε μόλυβδο. Η ραδιενεργός διάσπαση ακολουθεί πάντοτε ένα νόμο των στατιστικών πιθανοτήτων. Η ποσότητα του ουρανίου που διασπάται στη διάρκεια μιας μονάδας χρόνου είναι πάντα ανάλογη με την ποσότητα που έχει απομείνει. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα μια καμπύλη όπως αυτή του σχήματος (στη σελίδα 19), που δείχνει την ποσότητα που έχει απομείνει μετά το πέρασμα οσουδήποτε δεδομένου χρόνου. Ο χρόνος που χρειάζεται για να διασπαστεί μισή ποσότητα του ουρανίου, ονομάζεται «η ημιζωή του». Το μισό του υπόλοιπου μισού θα διασπαστεί στη διάρκεια της επόμενης ημιζωής, αφήνοντας πίσω του ένα τέταρτο της αρχικής ποσότητας. Μετά από τρεις ημιζωές, θα απομείνει το ένα όγδοο κ.ο.κ. Η ημιζωή του ουρανίου είναι 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια.

Αφού το ουράνιο μεταστοιχειώνεται σε μόλυβδο, η ποσότητα του μολύβδου αυξάνει συνεχώς. Η συγκεντρωμένη ποσότητα για οποιαδήποτε χρονική στιγμή δείχνεται από τη διακεκομμένη καμπύλη. Η καμπύλη του μολύβδου είναι το συμπλήρωμα της καμπύλης του ουρανίου, έτσι ώστε το άθροισμα των ατόμων του μολύβδου και των ατόμων του ουρανίου παραμένει πάντοτε ίδιο, δηλαδή ίσο με τον αριθμό με τον οποίο ξεκινήσαμε.

Τώρα, ας υποθέσουμε ότι έχουμε μια πέτρα που περιέχει ουράνιο, αλλά καθόλου μόλυβδο, και τη σφραγίζουμε ερμητικά ώστε τίποτα να μην μπορεί να εισχωρήσει, αλλά ούτε και να βγει από την πέτρα. Κατόπιν όταν θα έχει περάσει λίγος καιρός, τη βγάζουμε και μετρούμε τις ποσότητες και των δυο στοιχείων. Από τη μέτρηση αυτή μπορούμε να πούμε πόσο χρόνο η πέτρα ήταν σφραγισμένη. Για παράδειγμα, αν βρούμε ίσες ποσότητες μολύβδου και ουρανίου, τότε γνωρίζουμε ότι έχει περάσει μια ημιζωή, δηλαδή 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια. Αν βρούμε ότι μόνο το 1 τοις εκατό του ουρανίου έχει μεταστοιχειωθεί σε μόλυβδο θα χρησιμοποιήσουμε τη μαθηματική εξίσωση για την καμπύλη και θα υπολογίσουμε ότι έχουν περάσει 65 εκατομμύρια χρόνια.

Παρατηρήστε ότι δεν χρειάζεται να γνωρίζουμε πόσο ουράνιο υπήρχε αρχικά στην πέτρα επειδή το μόνο που χρειάζεται να κάνουμε είναι να μετρήσουμε την αναλογία του μολύβδου προς το ουράνιο στο τέλος της χρονικής περιόδου—πράγμα που είναι πολύ καλό γιατί κανένας μας δεν ήταν παρών τότε για να μετρήσει κάτι στην αρχή του πειράματος.

Τώρα, ίσως σκεφθείτε ότι αυτά για τα οποία μιλάμε είναι τεράστια διαστήματα χρόνου, δηλαδή εκατομμύρια και δισεκατομμύρια χρόνια. Σε τι άραγε θα μας χρησίμευε ένα τόσο αργοκίνητο ρολόι; Πρώτα-πρώτα μαθαίνουμε ότι η γη έχει ηλικία μερικά δισεκατομμύρια χρόνια, και μετά, ότι υπάρχουν πετρώματα σε μερικά μέρη που βρίσκονται εκεί για ένα μεγάλο μέρος αυτού του χρόνου ήδη. Έτσι οι γεωλόγοι θεωρούν το ρολόι αυτού του είδους πολύ χρήσιμο για τις μελέτες τους γύρω από την ιστορία της γης.

Πόσο Βέβαιοι Είναι;

Πρέπει να παραδεχτούμε ότι τη διαδικασία της χρονολόγησης δεν είναι τόσο απλή όσο την περιγράψαμε. Αναφέραμε ότι η πέτρα πρέπει να είναι στην αρχή τελείως απαλλαγμένη από μόλυβδο. Αυτό δεν συμβαίνει συνήθως· υπάρχει στην αρχή κάποια ποσότητα μολύβδου. Αυτό προσδίδει στην πέτρα μια αρχική τιμή ηλικίας και έτσι δεν ξεκινάει από το μηδέν. Επίσης, υποθέσαμε ότι το ουράνιο ήταν ερμητικά κλεισμένο στην πέτρα ώστε τίποτε να μην μπορεί ούτε να εισχωρήσει ούτε να βγει από αυτήν. Αυτό μπορεί να αληθεύει μερικές φορές, αλλά όχι πάντα. Με το πέρασμα των αιώνων, μια ποσότητα μολύβδου ή ουρανίου μπορεί να παρασυρθεί από τα υπόγεια νερά. Ή μπορεί να εισχωρήσει περισσότερο ουράνιο ή μόλυβδος, και ειδικά αν το πέτρωμα είναι ιζηματογενές. Για το λόγο αυτό, το ρολόι ουρανίου-μολύβδου δουλεύει καλύτερα σε πυριγενή πετρώματα.

Άλλες επιπλοκές μπορούν να παρουσιαστούν εξαιτίας του γεγονότος ότι ένα άλλο στοιχείο, το θόριο, που μπορεί να υπάρχει στο ίδιο ορυκτό, είναι και αυτό ραδιενεργό και αποσυντίθεται με βραδύ ρυθμό μετατρεπόμενο σε μόλυβδο. Εκτός από αυτά, το ουράνιο έχει και δεύτερο ισότοπο—που χημικά είναι το ίδιο στοιχείο, αλλά έχει διαφορετική μάζα—το οποίο διασπάται με διαφορετική ταχύτητα και μετατρέπεται κι αυτό σε μόλυβδο. Το καθένα από αυτά καταλήγει να γίνει ένα διαφορετικό ισότοπο του μολύβδου, και έτσι χρειαζόμαστε, όχι μόνο χημικό με τους δοκιμαστικούς σωλήνες του, αλλά και έναν φυσικό με τα ειδικά όργανά του για να διαχωρίσει τα διάφορα ισότοπα, δηλαδή τα είδη του μολύβδου που έχουν διαφορετική μάζα.

Χωρίς να μπούμε στις λεπτομέρειες των προβλημάτων αυτών, μπορούμε να καταλάβουμε ότι οι γεωλόγοι που χρησιμοποιούν το ρολόι ουρανίου-μολύβδου χρειάζεται να προσέχουν μερικές παγίδες αν θέλουν να λάβουν μια σε λογικό βαθμό αξιόπιστη απάντηση. Χαίρονται που έχουν και άλλες μεθόδους ραδιομέτρησης για να επαληθεύουν τις χρονολογήσεις τους. Δυο άλλες έχουν αναπτυχθεί και μπορούν και αυτές να χρησιμοποιηθούν για το ίδιο πέτρωμα.

Το Ρολόι Καλίου-Αργού

Το πιο διαδεδομένο σε χρήση είναι το ρολόι καλίου-αργού. Το κάλιο είναι πιο κοινό στοιχείο από το ουράνιο—το χλωριούχο κάλιο πουλιέται στα παντοπωλεία σαν υποκατάστατο του κοινού αλατιού. Αποτελείται κυρίως από δυο ισότοπα με μάζες 39 και 41, αλλά ένα τρίτο ισότοπο, με μάζα 40, είναι ασθενώς ραδιενεργό. Ένα από τα προϊόντα της διάσπασής του είναι και το αργόν, ένα αδρανές αέριο που αντιπροσωπεύει το 1 τοις εκατό περίπου της ατμόσφαιρας. Το κάλιο με μάζα 40 έχει ημιζωή 1,4 δισεκατομμύρια χρόνια, πράγμα που το κάνει κατάλληλο για τη μέτρηση χρόνου από δεκάδες εκατομμύρια μέχρι και δισεκατομμύρια χρόνια.

Σε αντίθεση με το ουράνιο, το κάλιο είναι πολύ διαδεδομένο στο φλοιό της γης. Αποτελεί συστατικό στοιχείο πολλών ορυκτών που βρίσκονται στα πιο κοινά πετρώματα, είτε αυτά είναι πυριγενή, είτε ιζηματογενή. Οι απαραίτητες συνθήκες για να δουλέψει το ρολόι καλίου-αργού είναι οι ίδιες που αναφέρθηκαν παραπάνω: Το κάλιο πρέπει να είναι απαλλαγμένο από αργόν όταν μπαίνει σε κίνηση το ρολόι, δηλαδή όταν σχηματίζεται το ορυκτό. Ο μηχανισμός πρέπει να παραμένει σφραγισμένος συνεχώς, χωρίς να επιτρέπει ούτε σε κάλιο, ούτε σε αργόν να διαφύγει ή να εισχωρήσει.

Πόσο καλά δουλεύει το ρολόι στην εφαρμογή του; Μερικές φορές πολύ καλά, αλλά άλλες φορές όχι. Μερικές φορές δίνει ηλικίες που διαφέρουν σε μεγάλο βαθμό από εκείνες του ρολογιού ουρανίου-μολύβδου. Συνήθως είναι μικρότερες· για τα αποτελέσματα αυτά θεωρείται υπεύθυνη η απώλεια αργού. Αλλά σε άλλα πετρώματα, οι ηλικίες που δίνουν το κάλιο και το ουράνιο συμφωνούν σχεδόν απόλυτα.

Μια αξιόλογη είδηση για τη χρήση του ρολογιού καλίου-αργού ήταν εκείνη της χρονολόγησης μιας πέτρας που έφεραν από τη σελήνη οι αστροναύτες του Απόλλων 15. Χρησιμοποιώντας ένα μικρό κομμάτι απ’ αυτή την πέτρα, οι επιστήμονες μέτρησαν το κάλιο και το αργόν και καθόρισαν ότι η ηλικία της πέτρας ήταν 3,3 δισεκατομμύρια χρόνια.

Το Ρολόι Ρουβιδίου-Στροντίου

Πρόσφατα αναπτύχθηκε ένα άλλο ραδιενεργό ρολόι για ορυκτά. Βασίζεται στη διάσπαση και μεταστοιχείωση του ρουβιδίου σε στρόντιο. Το ρουβίδιο διασπάται με απίστευτα αργό ρυθμό. Η ημιζωή του είναι 50 δισεκατομμύρια χρόνια! Τόσο λίγο απ’ αυτό έχει διασπαστεί μέχρι τώρα, ακόμα και στα πιο παλιά πετρώματα, που είναι απαραίτητο να γίνονται οι μετρήσεις με τον πιο σχολαστικό τρόπο για να διαχωρίζεται το επιπρόσθετο στρόντιο-87 από το πρωτογενές στρόντιο. Μπορεί να υπάρχει εκατό φορές περισσότερο στρόντιο στο ορυκτό από ρουβίδιο, και ακόμη και αν περάσει άλλο ένα δισεκατομμύριο χρόνια, θα διασπαστεί μόνο λίγο περισσότερο από το 1 τοις εκατό του ρουβιδίου. Παρ’ όλες αυτές τις δυσκολίες, η απειροελάχιστη ποσότητα του στροντίου που παράχθηκε από τη διάσπαση, έχει μετρηθεί σε μερικές περιπτώσεις. Αυτό το ρολόι είναι πολύτιμο για να ελέγχονται οι ηλικίες που καθορίζονται με άλλες μεθόδους.

Ένα συναρπαστικό παράδειγμα χρήσης της μεθόδου αυτής ήταν στη μέτρηση ενός μετεωρίτη που οι αστρονόμοι πιστεύουν ότι ίσως είναι σαν τους βράχους που έπεσαν θεωρητικά ο ένας πάνω στον άλλο για να σχηματίσουν τους πλανήτες, δηλαδή, ένα κατάλοιπο της αρχέγονης ύλης από την οποία έγινε το ηλιακό σύστημα. Η ηλικία που καταδείχτηκε, δηλαδή 4,6 δισεκατομμύρια χρόνια, ήταν σύμφωνη με την άποψη αυτή.

Μια εξέχουσα επιτυχία του ρολογιού ρουβιδίου-στροντίου ήταν η χρονολόγηση της ίδιας σεληνιακής πέτρας που αναφέρθηκε παραπάνω. Δοκιμάστηκαν πέντε διαφορετικά ορυκτά και όλα κατέδειξαν ηλικία 3,3 δισεκατομμύρια χρόνια, την ίδια που βρέθηκε με το κάλιο-αργόν.a

Σε μερικές περιπτώσεις οι χρονομετρήσεις που έγιναν από αυτές τις τρεις μεθόδους συμφώνησαν σχεδόν απόλυτα και εμπνέουν την πεποίθηση ότι οι ηλικίες σ’ αυτές τις περιπτώσεις είναι, κατά πάσα πιθανότητα, ακριβείς. Θα πρέπει όμως να τονιστεί ότι τέτοιες περιπτώσεις δείχνουν το είδος της συμφωνίας που είναι δυνατό—αλλά μόνο κάτω από ιδεώδεις συνθήκες. Και οι συνθήκες δεν είναι συνήθως ιδεώδεις. Θα μπορούσαν να δοθούν πολύ μακρύτεροι κατάλογοι συγκρίσεων που αντιφάσκουν μεταξύ τους.

Οι Παλαιοντολόγοι Προσπαθούν να Χρονολογήσουν τα Απολιθώματα

Οι παλαιοντολόγοι έχουν προσπαθήσει να αντιγράψουν την επιτυχία που είχαν οι γεωλόγοι στη χρονολόγηση πετρωμάτων ηλικίας λίγων εκατομμυρίων ετών μόνο. Μερικά από τα απολιθώματα που έχουν, πιστεύουν ότι μπορεί να χρονολογούνται από την ίδια εποχή. Αλίμονο όμως, το ρολόι καλίου-αργού δεν δουλεύει τόσο καλά γι’ αυτούς! Φυσικά, τα απολιθώματα δεν βρίσκονται σε πυριγενή πετρώματα, αλλά μόνο σε ιζηματογενή και γι’ αυτά τα πετρώματα οι ραδιομετρήσεις δεν είναι συνήθως αξιόπιστες.

Παράδειγμα αυτού του γεγονότος είναι η ταφή απολιθωμάτων κάτω από ένα παχύ στρώμα ηφαιστιακής στάχτης που στερεοποιήθηκε αργότερα και έχει σχηματίσει τόφφο. Αυτό είναι, στην πραγματικότητα, ένα ιζηματογενές στρώμα, αλλά έχει γίνει από πυριγενή ύλη που στερεοποιήθηκε όταν ήρθε σε επαφή με τον αέρα. Αν γίνεται να χρονολογηθεί, θα αποκαλύψει την ηλικία του απολιθώματος που εγκλωβίστηκε σ’ αυτό.

Μια τέτοια περίπτωση βρέθηκε στο Ολντουβάι Γκοργκ της Τανζανίας, όπου απολιθώματα πιθηκοειδών ζώων τράβηξαν ιδιαίτερα την προσοχή, επειδή εκείνοι που τα βρήκαν ισχυρίστηκαν ότι αυτά ανήκαν στην ανθρώπινη οικογένεια. Οι πρώτες μετρήσεις του αργού του ηφαιστειογενούς τόφφου στον οποίο βρέθηκαν τα απολιθώματα κατέδειξαν ηλικία 1,75 εκατομμύρια χρόνια. Αλλά οι μετρήσεις που έγιναν αργότερα σε άλλο επιστημονικό εργαστήριο απέδωσαν αποτελέσματα που έδειχναν ηλικία νεώτερη κατά μισό εκατομμύριο χρόνια. Το πιο απογοητευτικό για τους υποστηρικτές της θεωρίας της εξέλιξης ήταν η ανακάλυψη ότι οι ηλικίες άλλων στρωμάτων τόφφου που ήταν από πάνω και από κάτω δεν ήταν ομοιόμορφες. Μερικές φορές το πάνω στρώμα είχε περισσότερο αργόν από το κάτω. Αλλά αυτό είναι τελείως ανάποδο, γεωλογικά μιλώντας—το πάνω στρώμα πρέπει να έχει καθήσει μετά από το κάτω και θα πρέπει να έχει λιγότερο αργόν.

Το συμπέρασμα ήταν ότι οι ποσότητες «κληρονομημένου αργού» χαλούσαν τις μετρήσεις. Δεν είχε απελευθερωθεί από το λιωμένο πέτρωμα όλο το αργόν που είχε σχηματιστεί πιο πριν. Το ρολόι δεν είχε μηδενιστεί στην αρχή. Αν και μόνο το ένα δέκατο του 1 τοις εκατό του αργού που είχε παραχθεί προηγουμένως από το κάλιο είχε παραμείνει στο πέτρωμα όταν αυτό έλιωσε στο ηφαίστειο, το ρολόι θα ξεκινούσε τοποθετημένο μπροστά κατά ένα εκατομμύριο χρόνια περίπου. Όπως είπε ένας εμπειρογνώμονας «μερικές από τις χρονολογήσεις πρέπει να είναι λάθος, και αν μερικές είναι λάθος, ίσως τότε όλες είναι λάθος».

Παρ’ όλες τις γνώμες των ειδικών, ότι δηλαδή οι χρονολογήσεις αυτές μπορεί να μη σημαίνουν τίποτα, η αρχική χρονολόγηση των 1,75 εκατομμυρίων ετών για τα απολιθώματα του Ολντουβάι, συνεχίζει να παρατίθεται σε δημοφιλή περιοδικά που υποστηρίζουν τη θεωρία της εξέλιξης. Δεν δίνουν καμιά προειδοποίηση στον αμύητο αναγνώστη ότι αυτές οι ηλικίες δεν είναι στην πραγματικότητα τίποτε άλλο παρά εικασίες.

[Υποσημειώσεις]

[Πρόταση που τονίζεται στη σελίδα 18]

Οι γεωλόγοι που χρησιμοποιούν το ρολόι ουρανίου-μολύβδου χρειάζεται να προσέχουν μερικές παγίδες

[Πρόταση που τονίζεται στη σελίδα 20]

Δεν δίνουν καμιά προειδοποίηση ότι αυτές οι ηλικίες δεν είναι τίποτα άλλο παρά εικασίες

[Γράφημα στη σελίδα 19]

(Για το πλήρως μορφοποιημένο κείμενο, βλέπε έντυπο)

Η ελάττωση του ουρανίου είναι ευθέως ανάλογη προς την αύξηση του μολύβδου

100%

50%

25%

12.5%

Ημιζωές 1 2 3

μόλυβδος (αργόν)

(κάλιο) ουράνιο

[Διάγραμμα στη σελίδα 18]

(Για το πλήρως μορφοποιημένο κείμενο, βλέπε έντυπο)

Ουράνιο

Μόλυβδος

Πόσο ουράνιο (ή μόλυβδο) είχε αυτή η πέτρα αρχικά;

Πόσο ουράνιο (ή μόλυβδος) εισχώρησε στην πέτρα αργότερα;

Πόσος μόλυβδος παράχθηκε από τη διάσπαση του θορίου;