کرهٔ زمین چند سال عمر دارد؟

هنگامی که نخستین پرتوهای نور گرماهسته‌ای خورشید در حدود 5/4 میلیارد سال پیش بر کهکشان ما تابید، زمین اولیه از ابری چرخان و متلاطم و متشکل از گاز و غبار و سیارک‌ها که ستاره جدید را احاطه کرده بود، سر برخاست. در مدت ۷۰۰ میلیون سال بعد این ابر به صورت منظومه شمسی در آمد و سومین سیاره خورشید رفته‌رفته به حالت جامد در آمد. شالوده تمام زمین شناسی و بحث تکامل، بر این ارقام مربوط به سن زمین استوار است. ولی این ترتیب گاهشماری، یافته‌ای کاملا تازه است. در طی ۱۵۰ سال گذشته، دو بار سن زمین را تخمین زدند ولی اعتبار نتایج آن‌ها دوام چندانی نیاورد، چرا که علوم توصیفی زیست‌شناسی و زمین‌شناسی به علم دقیق‌تر فیزیک روی آورده‌اند.

نخستین برآورد سن زمین در سده نوزدهم از اعتبار افتاد. هرچند که برای چارلز داروین و زمین‌شناسان روزگار او ناخوشایند بود، فیزیک‌دانی (انگلیسی) به نام ویلیام تامسن (1824 – 1907)، که بعد لرد کلوین شد، با محاسبه‌ای ظاهراً بی‌نقص نشان داد که بر خلاف فکری رایج آن زمان، زمین از ابد وجود نداشته بلکه ۱۰۰ میلیون سال پیش پیدا شده است. با پایان سده نوزدهم این گاه‌شماری واژگون شد زیرا روی کار آمدن تکنیک‌های سن‌یابی رادیواکتیویته ثابت کرد که سن زمین چند میلیارد سال است. به دنبال منازعه‌ای سخت میان زمین‌شناسان و فیزیک‌دانان، سن‌یابی رادیواکتیویته حکمفرما گردید. جدل بر سر سن زمین نشان می‌دهد که عاطفه، بصیرت و علاقه به همان قدر منطق و آزمایش مسیر علم را هدایت می‌کند.

از روی بصیرت شاید بتوان تصور کرد که مسئله سن زمین به همان دیرینی خیال‌پردازی درباره ساختار عالم عالم و نقش ما در آن باشد. در واقع، بسیاری از کهن‌ترین تمدن‌ها آفرینش زمین را بخشی از مسئله منشأ عالم قلمداد می‌کردند. در نتیجه، شناخت‌ها از کیهان چرخه‌ای بود. برای مثال، یونانیان عقیده داشتند که تاریخ طبیعی مداوم تکرار می‌شود. قبایل مایا (در آمریکای مرکزی) 3114 سال پیش از عهد کنونی (قبل از میلاد مسیح) را به عنوان سال اخیرترین بازآفرینیش عالم ثبت کرده‌اند. در سده اول میلادی، بسیاری از چینیان آن دوره‌ها نظر مشابهی داشتند. آنان معتقد بودند که عالم در هر 23639040 سال نابود و دگربار خلق می‌شود.

سنت یهودی – مسیحی نیز تولد زمین و تولد عالم را در حادثه واحدی می‌آمیزد. سفر پیدایش (در عهد عتیق) عالمان را بر آن داشت تا تعداد نسل‌های بشر را از زمان آدم و حوا تاکنون حساب کنند. در سال ۱6۵۴ جان لایت فوت (انگلیسی) محاسبه مشهور اسقف آشر (ایرلندی، 1581 – 1656) را در مورد لحظه آفرینش به حدی بسیار دقیق اصلاح کرد: 26 اکتبر 4004 قبل از میلاد مسیح، ساعت ۹ صبح در بین‌النهرین، بر طبق تقویم یولیانی (تقیویمی خورشیدی که در سال ۴۶ ق.م به وسیله یولیوس قیصر روم معمول شد و تا زمان اصلاح گریگوریس تقویم رایج کشورهای مسیحی بود.)

میخائیل و لومونوسف (دانشمند روسی، 1711 – 1765) یکی از اولین دانشمندانی بود که در اواسط سده هجدهم نظر داد زمین مستقل از بقیه عالم پیدا شده است. وی این فاصله زمانی را صدها هزار سال برآورد کرد. در سال ۱۷۷۹ بوفون (طبیعی‌دان فرانسوی؛ 1707-1788) کوشید تا سن زمین را با آزمایش تعیین کند. او معتقد بود که زمین از حالت داغ آغازین به تدریج سرد شده است؛ بوفون با ساختن گوی کوچکی همسان ترکیب زمین و اندازه‌گیری میزان سرد شدن آن تخمین زد که زمین 75000 سال عمر دارد. (این رقمی بود که بوفون منتشر کرد، ولی در یادداشت‌های شخصی‌اش سن زمین را ۳ میلیون سال نوشته است.)

لومونوسف و بوفون در پیگیری تلاش سرسختانه تعیین سن مطلق زمین واقعا دست تنها بودند. طبیعی‌دانان سده هجدهم اگر هم به این مسئله می‌اندیشیدند یا همه چیز را دست خالق می‌نهادند و یا این‌که فرض می‌کردند که زمین و موجودات زنده آن را برای رسیدن به وضعیت کنونی زمانی بس طولانی را پشت سر نهاده‌اند. جیمز هاتن (طبیعی‌دان اسکاتلندی و پدر زمین‌شناسی جدید، 1726 – 1797) این نظر را در کتابش نظریه زمین به سال ۱7۹۵ به صورت بارزی بیان کرد: «ما اثری از آغاز و دورنمایی از پایان نمی‌یابیم.» (درباره زندگی و افکار جیمز هاتن رجوع کنید به مقالهٔ «تولد زمین‌شناسی نوین» در دانمشند اردیبهشت 1367).

با این همه، گاه‌شماری دوران‌های زمین‌شناختی معاصران هاتن را مجذوب ساخت. آنان استدلال می‌کردند که چینه‌های متوالی سنگ‌ها و خاک‌ها در هر محلی نمایانگر ترتیب تشکیل لایه‌هاست. در دهه ۱7۹۰ ویلیام اسمیت (مهندس عمران و زمین‌شناس انگلیسی، 1769 – 1839) این اندیشه را بنیاد نهاد که دو لایه در محل‌های مختلف را می‌توان هم‌سن دانست. اگر دارای فسیل‌های همانندی باشند. با بسط این اندیشه، طبیعی‌دانان شروع به یافتن ترتیب زمانی چینه‌ها و تخمین مدت دوران‌های زمین‌شناختی کردند. برآوردهای آنان بسیار متفاوت بود چون فقط می‌توانستند در مورد زمان لازم برای تشکیل لایه‌ها حدس‌های خام بزنند.

در سال ۱۸۳۰ چارلز لایل (زمین‌شناس اسکاتلندی، 1797 – 1875) با انتشار اصول زمین‌شناسی، به این کار تحرکی نظری بخشید. لایل برای بر این نکته تاکید می‌ورزید که سازندهای (تشکیلات) سنگی و عوارض زمین‌شناختی دیگر با سرعتی ثابت در گذر زمان شکل گرفته‌اند، فرساییده شده‌اند و باز پدیدار گشته‌اند، در واقع، هیچ‌یک از طبیعی‌دانان نظر لایل را برای محاسبه سن عوارض زمین به کار نبستند، داده‌ها درباره فرآیندهای زمین‌شناختی بسیار اندک بود. با وجود این، لایل بسیاری از طبیعی‌دانان را بر آن داشت که یکنواخت‌گرایی (Uniformitarism) را بپذیرند. یعنی آنان این باور را که تغییرات زمین شناختی واژگون‌ساز وجود داشته است و یا زمین جوان و سریعا پیدا شده است، رد می‌کردند. به هر روی، شواهدی از سنگ‌ها و استخوان‌ها وانمود می‌کردند که هر دوران زمین‌شناختی به مدت زیادی، حتی شاید صدها میلیون سال، طول کشیده است و سن زمین می‌باید چند برابر آن باشد.

لذا وقتی که لرد کلوین – که در آن زمان او را به نام ویلیام تامسن فیزیک‌دان از گلاسکو می‌شناختند – در سال ۱۸۶۲ پیدایش زمین را بین 20 و 400 میلیون سال تعیین کرد، برای این طبیعی‌دانان نامنتظر بود. تامس یکنواخت گرایی را به دلیل اثبات‌پذیر نبودنش رد می‌کرد. او و بسیاری از فیزیک‌دانان دیگر آن روزگار معتقد بودند که زمین در ابتدا مذاب بود، سپس سطح آن سرد و منجمد شده، ولی هسته آن داغ مانده است. هر چه به اعماق زمین نزدیک می‌شویم، دما بیشتر می‌شود.

برای به دست آوردن سن زمین، تامسن حساب کرد که چه مدت طول کشیده تا زمین از حالت اولیه به اندازه وضعیت کنونی‌اش سرد شده است. وی فرض کرد که کشش گرانشی که به زمین شکل بخشید، تمام گرمای زمین را ایجاد کرده است (به جز گرمای کمی که از خورشید دریافت داشته). سپس او بررسی کرد که زمین به چه میزانی رسانای گرماست و به چه مقدار گرما نیاز دارد تا ذوب شود یا دمایش به اندازه معینی بالا رود. تامسن می‌دانست که طبق قانون دوم ترمودینامیک، چون انرژی به خلاء سرد فضا تابیده شده، زمین پیوسته سرد شده است. با بهره‌گیری از نظریه ژان باپتیست ژوزف فوریه (فیزیک‌دان و ریاضی‌دان فرانسوی؛ 1768-1830) درباره رسانایی گرما، وی پیش‌بینی نمود که توزیع دمای زمین چگونه حاصل شده است. با در نظر گرفتن گرمای دریافت شده از خورشید و اثرات اصطکاک جزرومدی، او به محاسباتش دقت بخشید و با تصحیحات بعدی، تاریخ زمین را بین 20 و 40 میلیون سال برآورد کرد.

پژوهش تامسن زمین‌شناسان را که با ایدهٔ زمان بی‌نهایت آسوده‌خاطر بودند، پریشان ساخت. آنان از این فیزیک‌دان گستاخ در تخصصشان دخالت کرده بود، رنجیدند ولی نمی‌توانستند در مقابل او بحثی راه اندازند و درباره گاه‌شماری زمین مقاله‌های اندکی نوشتند. محاسبه تامسن بر پایه منطق و فیزیک ستیزناپذیر می‌نمود. ولی سرانجام ثابت شد که نتیجه‌گیری او صحیح نیست. با این حال، تامسن محرک یک کودتای فکری بود: زمین گاه‌شماری کیفی (نسبی) (Geochronology) به نفع روش‌های کمّی صحنه را ترک کرد. تا پایان قرن نوزدهم تخمین تامسن در مقایسه با همه برآوردهای دیگر حکم معیار را داشت.

نتیجه تحقیق زیست‌شناسان را چون زمین‌شناسان لرزاند. داروین تامسن را یک «شبح نفرت‌انگیز» تلقی می‌کرد که گاه‌شماری‌اش «تلخ‌ترین مزاحمت» یک طبیعی‌دان شرمنده بود. داروین و زیست‌شناسان دیگر می‌انگاشتند که زمانی بسیار بیشتر از ۴۰ میلیون سال لازم است تا زیست‌مندان پیچیده حاصل شوند. ولی نه زیست‌مندان زنده و نه فسیل‌های آن‌ها مبنایی را برای محاسبه مستقل زمان تکامل پیش نمی‌نهاد. تقویم زیست‌شناختی بر زمین‌شناسی تکیه می‌کرد.

تامسن هنری هاکسلی (زیست‌شناس انگلیسی؛ 1852 – 1895)، یکی از طرفداران سرسخت داروین، به مقام انتقادناپذیر تامسن تاخت. نظر هاکسلی نمایانگر تکبری بود که زمین‌شناسان اواخر دوره ویکتوریا در برابر علوم فیزیکی داشتند و به اطلاعات کمیت‌پذیر، به اکراه احترام می‌گذاشتند. هاکسلی در سخنرانی خود در انجمن زمین‌شناسی لندن در سال ۱۸۶۹ استدلال کرد که هیچ زمین‌شناس جدیدی بر یکنواخت‌گرایی مطلق تاکید نمی‌ورزد، هر چند که اصول یکنواخت‌گرایی را می‌توان به کار بست. سپس هاکسلی زبان نافذش را متوجه تامسن ساخت: «نباید اجازه داد که دقت پذیرفته شده فرآیندهای ریاضی، نتایج را در لفافه‌ای از اعتبار ناجایز بپوشاند. چرا که صفحات آکنده از فرمول، نتیجه‌ای قطعی از داده‌های سست به دست نمی‌دهد.» هاکسلی نظر داد که تابش گرما از زمین کندتر از آن بود که تامسن فرض می‌کرد. تامسن می‌پنداشت که محافظه‌کارانه دست به تخمین زده است ولی از ارقام یافته‌اش نمی‌توانست مطمئن باشد.

با این همه، تامسن دیگر به تنهایی به منازعه نپرداخت. سایمن نیوکام، اخترشناس آمریکایی (1835 – 1909)، و هرمان فون هلمهولتز، فیزیک‌دان آلمانی (1821 – 1894)، هر دو، زمان لازم را برای آن‌که یک سحابی بر اثر نیروی گرانش به اندازه کنونی خورشید منقبض شود حساب کردند. نتایج مستقل آن‌ها ۱۰۰ میلیون سال بود که حد بالایی سن زمین را با فرض این‌که زمین پیش‌تر از خورشید وجود نداشت – تصویب می‌کرد. جرج داروین (1845-1912)، پسر چارلز داروین مشهور و استاد اخترشناسی در دانشگاه کمبریج، به این مباحثه پیوست. وی همچنین فکر می‌کرد که ماه از زمین مذاب سریعاً چرخان کنده شده است و دریافت که تخمین اولیه تامسن به خوبی سازگار با زمانی است که اصطکاک جزرومدی زمین نیاز دارد تا زمین را در چرخش کنونی آن به مدت ۲۴ ساعت نگه دارد.

تعداد اندکی از زمین‌شناسان با تخمین تامسن از عمر زمین هم‌رأی بودند. حتی پیش از تامسن، جان فیلیپس، خواهرزاده و شاگرد ویلیام اسمیت، ادعا کرده بود که زمین می‌باید ۹۶ میلیون سال عمر کرده باشد و این نتیجه را از میزان مسلماً نادقیق تشکیل چینه‌ها از رسوبات رودخانه‌ای به دست آورده بود. در سال ۱۸۶۸ آرکیبالدگی‌کی سرپرست سازمان زمین‌شناسی اسکاتلند، قرائن فرسایش را بررسی کرد و نتیجه گرفت که سرزمین کهن‌تر از ۱۰۰ میلیون سال نیست.

در سال ۱۸۹۹ جان جولی (دانشمند ایرلندی؛ 1857 – 1933)، در دانشگاه دوبلین تنها تکنیک واقعاً جدید زمین‌شناختی برای اندازه‌گیری سن زمین را ارائه کرد. وی فرض کرد که منشأ همه نمک‌های دریاها نهشته‌های کانی است که فرساییده و حل شده‌اند. همچنین او نظر داد که غلظت نمک دریا کاهش نمی‌یابد. بنابراین، جولی میزان شوری را به سن نسبت می‌داد. وی دقیق‌ترین رقم موجود در آن زمان برای کمیت آب جاری شده به اقیانوس‌ها در هر سال و مقدار نمک در هر حجم رواناب را به دست آورد، سپس مقدار سالیانه نمک حاصل شده را حساب کرد، میزان شوری اقیانوس را ضربدر در کل حجم آن کرد و عدد حاصل را بر مقدار سالیانه نمک تقسیم کرد. بدین ترتیب جولی تعیین کرد که دریاهای شور ۸۰ تا ۹۰ میلیون سال است که پا به عرصه وجود گذاشته‌اند.

در همین ایام، تعداد بیشتری از زمین‌شناسان با این برآورد که زمین کمتر از ۱۰۰ میلیون سال پیش پیدا شده است، توافق نمودند. ولی همه تلاش‌ها برای اندازه‌گیری سن زمین بر فرض، قیاس یا حدس درباره سرعت تغییر فرآیندهای زمین‌شناختی استوار بود. چنان پندارها جایی را برای شک و تردید گشود. برخی منتقدان به این فرض که فقط انقباض گرانشی، گرمای زمین یا گرمای خورشید را تبیین می‌کند، اعتراض کردند. امکان وجود یک منبع دیگر انرژی بود. برخی معتقد بودند که زمین هیچ‌گاه مذاب نبود، و بعضی نظر می‌دادند که درون زمین هنوز به حالت مذاب است، درون مایعی شکل بر اثر هم‌رفت گرما را هدایت می‌کند و این نکته را تامسن در نظر نگرفته بود. و برخی دیگر اطلاعات درباره فرسایش، رسوب‌گذاری و شوری دریا را زیر سوال می‌بردند.

با پایان قرن نوزدهم، زمین‌شناسان عموماً موافقت کردند که از تولد زمین نزدیک به ۱۰۰ میلیون سال می‌گذرد. ولی آنان اختلافشان را با تامسن، که به خاطر دستاوردهای علمی‌اش لقب لرد کلوین گرفته و به مقامی اشراف ارتقا یافته بود، برطرف نکردند. کلوین، که با بهره‌گیری از محاسباتش درباره گرما، حتی مقیاس‌های زمان زمین‌شناختی کوتاه‌تری را پیش می‌کشید و آمرانه به شواهد زمین‌شناسی وقعی نمی‌گذاشت. ولی دیگر از زمین‌شناسان به تکنیک‌های فیزیکی کلوین اعتنا نمی‌کردند. آنان به روش‌های خودشان بیشتر از مجموعه مفروضات فیزیک‌دان عالی‌مقام اعتماد داشتند و برای این هم شاید تضمینی وجود نداشت. با این همه، زمین‌شناسان رهیافت‌های متعددی به گاه‌شماری کشف کرده بودند که نتایج سازگار با یکدیگر به دست می‌داد. زمین‌شناسان احساس می‌کردند که پس از چندین دهه کاوش، نقشه‌کشی، اندازه‌گیری و طبقه‌بندی، دوره کارآموزی‌شان را در علوم کمّی با موفقیت به پایان برده‌اند.

ولی چندان طول نکشید که فیزیک‌دانان بار دیگر به قلمرو زمین‌شناسان تاختند و سن زمین را اندازه‌گیری کردند. این دفعه، مطالعه رادیواکتیویته به یورش فیزیک‌دانان نیرو بخشید. در سال ۱۸۹۶ آنتوان هانری بکرل (فیزیک‌دان فرانسوی؛ 1852 – 1908) پدیدهٔ رادیواکتیویته را کشف کرد، در سال ۱۸۹۸ ماری کوری (1867-1934) و پی‌یر کوری (1859-1906) نخست بار دو عنصر رادیواکتیو پلونیوم و رادیوم را کشف کردند. سپس در ۱۹۰۲ و ۱۹۰۳ ارنست رادرفورد (فیزیک‌دان انگلیسی نیوزلندی‌تبار 1871 – 1937) و فردریک سدی (فیزیک‌دان انگلیسی؛ 1877 – 1956) فرآیند رادیواکتیویته را طی چند مقاله توضیح دادند. آنان به درستی اظهار کردند که رادیواکتیویته تبدیل خودبه‌خودی اتم‌های یک عنصر شیمیایی به عنصر شیمیایی دیگری است.

ابتدا تابش پرتوهای آلفا، بتا و گاما برای زمین گاه‌شماری مهم‌تر از خود عناصر رادیواکتیو بود. (بعدها کشف شد که ذرات آلفا از دو پروتون و نوترون تشکیل شده و در واقع هسته یک اتم هلیوم و دو نوترون تشکیل شده و در واقع همان الکترون‌های گسیل شده است، و پرتوهای گاما فوتون‌های تابش الکترومغناطیسی است.) پیش‌تر، در ۱۹۰۰، رادرفورد و ر.ک. مک کلانک از دانشگاه مک گیل در مونترال ثابت کرده بودند که این پرتوهای گوناگون مقادیر زیادی انرژی حمل می‌کنند، مقالهٔ آنان در بیرون از گروه کوچک فیزیک‌دانان و شیمی‌دانانی که بر روی رادیواکتیویته تحقیق می‌کردند، چندان تاثیر نگذاشت.

ولی در سال ۱۹۰۳ برخورد به گونه‌ای دیگر بود. وقتی که پی‌یر کوری و آلبرت لابورده (فیزیک‌دان فرانسوی) اعلام کردند که رادیوم آن‌قدر گرما تولید می‌کند که اگر در یخ قرار گیرد، در مدت یک ساعت بیشتر از وزن خود یخ ذوب می‌کند، علاقه عمومی به این منبع ظاهراً تمام‌ناشدنی گرما برانگیخته شد. این انرژی از کجا می‌آمد؟ رادرفورد و هوارد ت. بارنس (استاد فیزیک در دانشگاه مک‌گیل پس از رادرفورد؛ 1873 – 1950) منبع آن را کشف کردند. آنان نشان دادند که گرمای حاصله با ذرات آلفای تابیده تناسب دارد. این ذرات نسبتاً سنگین با سرعت زیادی گسیل می‌شدند و اگر با اتم‌های مجاور تصادم می‌کردند، انرژی جنبشی آن‌ها تبدیل به گرما می‌شد.

زمین‌شناسان فوراً متوجه شدند که رابطه میان گرم و رادیواکتیویته بر تعیین سن زمین تاثیر زیادی می‌گذارد. کلوین فرض کرده بود که گرمای زمین یا از خورشید و یا از حالت مذاب اولیه زمین حاصل شده است. در هر دو مورد، انقباض گرانشی تنها منبع انرژی بود. ولی اگر زمین و خورشید دارای مواد رادیواکتیویته بودند – به اندازه‌ای که مقادیر زیادی گرما فراهم سازد – همه گاه‌شماری‌های کلوین بر اساس سرد شدن زمین از اعتبار می‌افتاد.

در سال ۱۹0۳ جورج داروین و جولی اولین دانشمندانی بودند که این نکته را اظهار کردند: لااقل تا حدی رادیواکتیویته سهمی در گرمای زمین و گرمای خورشید دارد. ولی آیا آن‌قدر مواد رادیواکتیو در زمین وجود دارد که سبب تفاوتی قابل اندازه‌گیری شود؟

بخشی از پاسخ این سوال در دست بود: یولیوس الستر و هانس، ف.گاتیل، دو معلم مدرسه در ولفن بوتل در آلمان، رادیواکتیویته را در ۱۹۰۱ در هوا و اندکی بعد در خاک آشکار کردند. چندان طول نکشید که بسیاری از آماتورهای علاقه‌مند و نیز دانشمندان حرفه‌ای رادیواکتیویته را در باران، برف، آب‌های زیرزمینی و حتی در غبار آبشار نیاگارا یافتند. زمین‌شناسان تردید نداشتند که رادیواکتیویته به طور وسیعی گسترده شده است.

در مورد غلظت رادیواکتیوته، رابرت ج. استروت در کالج امپریال لندن، مقادیری از رادیوم را در بسیاری از سنگ‌ها یافت. در واقع، استروت رادیوم را زیادتر از آن یافت که به صورت یکنواخت در سرتاسر کرهٔ زمین پخش شده باشد. فقط رادیواکتیویتهٔ این عنصر می‌توانست منبع گرمای درونی زمین باشد. تحقیق او چنین می‌گفت که زمین گاه‌شماری را می‌توان به زمان بی‌آغاز گسترش داد. استروت اثری از سرد شدن و نمایی از سن نیافت.

واکنش جامعهٔ علمی ابتدا با علاقه و سپس به ناگاه با دل‌سردی بود. جولی و ویلیام ح سولاس (زمین‌شناس انگلیسی که در سال 1905 با در نظر گرفتن سرعت رسوب‌گذاری، سن زمین را بین ۲۶ و ۷۵ میلیون سال تخمین زده بود) از دانشگاه آکسفورد از این واهمه داشتند که مبادا تحقیق استروت محاسبات آنان را که بیانگر سنی در حدود ۱۰۰ میلیون سال بود، واژگون کند.

احساسات خود کلوین یکپارچه نبود: وی به طور خصوصی پذیرفت که برآوردهایش تضعیف شده است ولی در ملاء عام همچنان به منازعه پرداخت. دانشمندان دیگر از این‌که از برآورد کلوین از سن زمین خلاصی یافته‌اند، خشنود بودند. چنان‌که بعدها روشن گشت، رادیواکتیویته نه فقط زنجیره نظری کلوین را سست کرد بلکه همچنین کلید تعیین سن زمین را به دست داد.

در نخستین سال‌های قرن بیستم وقتی که رادرفورد و سدی نظر دادند که رادیواکتیویته در واقع یک کیمیاگر خودبه‌خودی است، علاقه علمی به عناصر رادیواکتیو جای علاقه به تابش رادیواکتیو را گرفت. این دو دانشمند گفتند که نمونه‌ای از یک عنصر رادیواکتیو با سرعت منظمی به عنصر شیمیایی مختلفی وا پاشیده می‌شود. سرعت این واپاشی به صورت نیمه‌عمر بیان می‌شود. سرعت این واپاشی به صورت نیمه‌عمر بیان می‌شود و آن، زمان لازم برای تبدیل نصف اتم‌های یک عنصر رادیواکتیو و معین در یک نمونه است تا به صورت محصول واپاشی در آید. نیمه‌عمرها از میلیاردها سال تا میلیونیم ثانیه دامنه دارند. اورانیوم، توریوم و رادیوم نیمه‌عمرهای طولانی دارند و از این رو به فراوانی در زمین یافت می‌شوند، ولی عناصر رادیواکتیوی که نیمه‌عمرهای کوتاه دارندعمرشان نیز گذراست. بنابراین، حضور یا غیبت یک عنصر رادیواکتیو معین در سنگ‌ها نمایانگر سن آن‌هاست و تحلیل کمیت‌های عناصر رادیواکتیو می‌تواند سن مطلقی را آشکار کند.

عناصر رادیواکتیو رشته واپاشی‌های مشخصی را تشکیل می‌دهند: یک عنصر رادیواکتیو به عنصر دیگر واپاشیده می‌شود تا این‌که یک عنصر پایدار حاصل گردد. رشته‌های واپاشی اورانیوم – رادیوم، اورانیوم – اکتینیوم، و توریوم در همان نخستین سال‌های قرن کنونی شناخته شده بودند یا گمان می‌رفت که وجود دارند. تکنیک سن‌یابی رادیواکتیویته سنگ‌ها از مطالعه عناصر رادیواکتیو و رشته واپاشی آن‌ها سر برخاست. رادرفورد و پرتو شیمی‌دان (آمریکایی) برترام ب. بولتوود (1870 – 1927) پیشگامان این کار بودند.

بولتوود در مقام شیمی‌دان مشاور پس از فارغ‌التحصیلی‌اش از دانشگاه ییل، نمونه‌هایی از کانسنگ‌های متعددی، از جمله مونازیت – نوعی کانی حاوی اورانیوم و توریوم – را بررسی کرد. وقتی که رادرفورد در سال ۱۹۰۴ در دانشگاه ییل به سخنرانی پرداخت، کنجکاوی بولتوود به عناصر رادیواکتیو برانگیخته شد و شروع کرد به ثبت روابط میان عناصر رادیواکتیو و رشته واپاشی آن‌ها.

در اواخر همان سال، رادرفور طریقه‌ای را برای تعیین سن زمین از اندازه‌گیری‌های هلیوم در کانی‌ها پیشنهاد کرد. در آن زمان رادرفورد معتقد بود (و در سال 1908 ثابت شد) که هلیوم محصول هیچ یک از سلسله‌های واپاشی نیست، بلکه وقتی دو الکترون به یک ذره آلفا می‌پیوندند، در تمام رشته‌ها تشکیل می‌شود. سر ویلیام رمزی (شیمی‌دان اسکاتلندی؛ 1852 – 1916) و سدی در یونیورسیتی کالج در لندن به تازگی سرعت تولید هلیوم از رادیوم را کشف کرده بودند. اگر یافته رمزی – سدی صحیح بود و اگر از زمان تشکیل کانی هیچ هلیومی از آن فرار نکرده بود مقدار هلیوم می‌توانست سن نمونه را تعیین کند. رادرفورد توانست برای نمونه‌ای از سنگ فرگوزونیت سن 40 میلیون سال را ارائه دهد.

ولی بولتوود این‌طور اندیشید که محصولات پایانی رشته‌های واپاشی را دنبال کند. با واپاشی عناصر رادیواکتیو مقدار محصول پایانی طی سالیان افزایش می‌یابد. در آن زمان معلوم شده بود که رادیوم محصول رشتهٔ اورانیوم است. در سال ۱۹۰۵ بولتوود سرب را به عنوان محصول نهایی عرضه کرد. فرضیه واپاشی اورانیوم به سرب پشتیبانی رادرفورد را کسب کرد و استدلال می‌کرد که اگر اورانیوم به رادیوم واپاشیده شود و اگر رادیوم (که در آن زمان تصور می‌شد دارای وزن اتمی ۲۲۵ است) و محصولات بیایند آن پنج ذره آلفا گسیل کند (که هر کدام دارای وزن اتمی چهار هست)، این واپاشی عنصری با وزن اتمی ۲۰۵ تولید خواهد کرد که چندان متفاوت از رقم پذیرفته شده 9/206 برای سرب نیست.

بولتوود رادرفورد را به خاطر پیشنهاد کردن روش سرب برای سن‌یابی سنگ‌های کهن شایان افتخار دانست ولی در واقع علمی بودن آن را خود بولتوود نشان داد. تا پایان ۱۹۰۵، برای ۲۶ نمونه کانی سن‌هایی از ۹۲ تا ۵۷۰ میلیون سال را محاسبه کرده بود. خوشبختانه برای حیثیت این تکنیک جدید، آن نتایج منتشر نشدند. نسبت رادیوم به اورانیوم که بولتوود حساب کرده بود صحیح نبود، هم از آن رو که مقیاس رادرفورد برای اندازه‌گیری مقادیر رادیوم درست تعیین نشده بود و هم به علت این‌که در نیمه‌عمر رادیوم طی سال‌های ۱۹۰۵ و ۱۹۰۶ چندین بار تجدید نظر شد. سن سنگ بر این دو رقم بسیار متکی بود.

وقتی که بولتوود تحقیقش را در سال 1907 منتشر کرد، از یکنواختی قابل توجهی در نسبت‌های سرب به توریم در کانی‌های موجود در یک لایه سنگی – که احتمالاً سن زمین‌شناختی مشابهی داشتند گزارش داد. همچنین وی مشاهده کرد که با افزایش سن نسبی کانی، مقدار سرب در آن نیز افزایش می‌یابد. کانی‌هایی که از آن‌ها ظاهراً سرب بیرون ریخته بود، نسبت‌های کمتر از کانی‌های موجود در همان لایه داشتند. همه این واقعیت‌ها با همدیگر سازگار بود. با این همه، بولتوود نتوانست در نسبت‌های سرب به توریوم در کانی‌های مختلف یکنواختی پیدا کند، محصول واپاشی توریوم همچنان معما مانده بود. بنابراین، وی می‌خواست که نسبت‌های سرب به توریوم چشم‌پوشی کند و این خطا بر اندازه‌گیری‌های او از کانی‌هایی که هم اورانیوم و هم توریوم داشتند تأثیر می‌گذاشت.

برای تعیین سن مطلق کانی‌ها، بولتوود سلسله واپاشی اورانیوم – رادیوم را بررسی کرد. تازه‌ترین رقم برای نیمه‌عمر رادیوم ۲۶۰۰ سال بود که آن را رادرفورد از تعداد ذرات آلفای گسیل شده از رادیوم در هر ثانیه حساب کرده بود (رقم پذیرفته‌شدهٔ کنونی برای نیمه‌عمر رادیوم 1620 سال است). با دانستن این‌که واپاشی کانی‌های رادیواکتیوی فرآیندی نمایی (Exponential) است و بر اساس نیمه‌عمری که رادرفورد حساب کرده بود، کسر رادیوم واپاشیده در یک سال برابر با 270000 بخش در میلیارد می‌شود. رادرفورد و بولتوود دریافتند که تقریباً همه سنگ‌ها دارای 3۸۰ بخش رادیوم در هر میلیون بخش اورانیوم هستند. بنابراین، کسر رادیوم واپاشیده در هر سال ضربدر کسر رادیوم در اورانیوم برابر است با یک بخش رادیوم واپاشیده در هر سال در ازای هر ۱۰ میلیارد بخش اورانیوم.

بولتوود به درستی فرض کرد که رشته‌های واپاشی عناصر رادیواکتیو در سنگ‌هایی که وی گرد آورده بود، به حالت تعادل هستند. مثلا وقتی که تعداد اتم‌های اورانیوم واپاشیده در واحدی از زمان برابر با تعداد اتم‌های رادیوم واپاشیده با تعداد اتم‌های سرب تشکیل شده در همان زمان است، رشته واپاشی اورانیوم به سرب حالت تعادل دارد. برای نگهداشتن این تعادل، آن دسته از عناصر رادیواکتیو که نیمه‌عمرهای طولانی دارند می‌باید از عناصر رادیواکتیو و دارای نیمه‌عمرهای کوتاه در مقادیر زیادی موجود باشند (گرچه موجودی اورانیوم در گذر زمان به تدریج کاهش می‌یابد، بولتوود ملاحظه کرد که این مقدار کاسته شده قابل چشم‌پوشی است)

بولتوود نتیجه‌گیری کرد که اگر یک بخش رادیوم به ازای ۱۰ میلیارد بخش اورانیوم در هر سال واپاشیده شود، یک بخش سرب به ازای ۱۰ میلیارد بخش اورانیوم تشکیل خواهد شد. بولتوود این رابطه را به صورت فرمولی بیان کرد: سن سنگ برابر است با ۱۰ میلیارد سال ضربدر نسبت سرب به اورانیوم. سپس او محاسبه کرد که یک نمونه اورانیتیت (کانسنگ اورانیوم به فرمول شیمیایی UO2) که نسبت 41 درصد داشت، 410 میلیون سال دارد، و یک نمونه توریانیت (کانسنگ توریوم که حدود ۷۰ درصد آن اکسید توریم است) که دارای نسبت 22 درصد بود، 2/2 میلیارد سال پیش تشکیل شده است.

در واقع امر، آن‌گاه که رقم صحیح برای نیمه‌عمر رادیوم به کار رفت، نمونه سنگ‌های بولتوود از حدود ۲۵۰ میلیون تا 3/1 میلیارد سال تعیین شد. حتی با این تصحیح، اندازه‌گیری او از توریانیت درست نبود، چرا که افزون بر سرب حاصل شده از اورانیوم، واپاشی توریوم نیز سهمی داشت. مع هذا، این نتایج بسیار چشمگیر بود زیرا نشان داد که زمین یک میلیارد سال دارد.

از قضا این دستاورد شگرف با بی‌اعتنایی روبه‌رو گشت. هر چند که مقاله بولتوود در عالی‌ترین مجله زمین‌شناسی آمریکا منتشر شد، کسی را ترغیب نکرد تا کار او را در این روش سرب تکرار یا دنبال کند. نتایج بولتوود نظر زمین‌شناسان را در این‌که به رادیواکتیویته اهمیتی اغراق‌آمیز داده شده است، نیز تغییر نداد. آنان نه فقط اثر گرمای واپاشی رادیواکتیوته بر زمین را کم شمردند، بلکه داده‌های فیزیکی و زمین‌شناسی خود را بهتر کردند تا نشان دهند که مدت زمانی که کلوین تخمین زده شده بود، درست است!

بولتوود دیگر راجع به روش سن‌یابی سرب چیزی ننوشت و دوباره به بررسی رشته‌های واپاشی روی آورد و عنصر یونیوم، مادر بلاواسط رادیوم را کشف کرد. رادرفورد مبحث سن زمین را تا حدی ادامه داد و در هر ده سال یک مقاله منتشر کرد که نشانه علاقه‌ای رو به پایان بود. ضمناً استروت روش هلیوم را تا سال ۱۹۰۱ بهبود بخشید و سپس وی نیز به سراغ تحقیقات پررونق رفت. ولی استروت میراثی از خود به جا گذاشت. وی علاقه به زمین گاه‌شماری را در دل آرتور هولمز، (1890- 1965)، دانشجوی زمین‌شناسی انگلیسی، کاشت. هولمز این موضوع علمی را تقریبا دست‌تنها زنده نگه داشت. سرانجام هولمز در طول خدماتش در صنایع و دانشگاه‌های دورام و ادینبورگ، زمین‌شناسان را وادار ساخت تا سن‌یابی رادیواکتیویته را بپذیرند. ولی تا سال ۱۹۳۰ هولمز و جولی تنها زمین‌شناسانی بودند که در تکنیک سن‌یابی مهارت داشتند، جولی در صحت تکنیک رادیواکتیویته تردید کرد.

هولمز تردید نکرد. همچنین به‌نظر او روش سرب مطمئن‌تر از تکنیک هلیوم بود. در سال ۱۹۱۱ وی نمونه‌های سنگی متعددی را بررسی کرد و محاسبه کرد که کهن‌ترین آن‌ها 6/1 میلیارد سال دارد. او معتقد بود (بیشتر از روی ایمان، و بدون توجیه) که نمونه‌هایش در آغاز تشکیل هیچ سربی نداشتند و تمام سرب حاصل واپاشی اورانیوم است و مکانیسم‌های بیرونی از مقدار سرب و اورانیوم نکاسته‌اند یا بر آن نیفزوده‌اند.

با این همه، دو سال بعد منتقدان هولمز توانستند در پرتو دو کشف تازه زبان به اعتراض بگشایند. نخست کشف ایزوتوپ‌ها بود: اتم‌هایی که خواص شیمیایی مشابه ولی وزن‌های اتمی مختلف دارند زیرا تعداد نوترون‌ها در آن‌ها تفاوت می‌کند. مثلا سرب دارای هسته‌ای است با 82 پروتون ولی وزن آتمی آن می‌تواند از 195 تا 214 باشد. به‌علاوه، کشف آن دسته از قوانین فیزیکی بود که محصولات واپاشی هر عنصر رادیواکتیو را مشخص می‌ساخت. این قوانین نشان داد که رشته واپاشی توریوم سرانجام منجر به نوعی ایزوتوپ سرب می‌شود. گرچه این کشف‌های تازه، سن‌یابی رادیواکتیویته را برای بیشتر زمین‌شناسان مشکل‌تر و نامطمئن‌تر می‌نمود، هولمز به کارش ادامه داد و در سال‌های پیش و پس از جنگ جهانی اول سلسله مقالاتی درباره زمین گاه‌شماری منتشر کرد. او اطلاعات راجع به ایزوتوپ‌ها را در تحقیقاتش به کار برد و نتایجش را تصحیح کرد. هرچند که موفقیت هولمز مقاومت در برابر سن‌یابی را تضعیف می‌کرد، این تکنیک پشتیبانی اندکی کسب کرد.

در این میان، جوزف برل استاد زمین‌شناسی در دانشگاه ییل، مستثنا بود. وی در سال ۱۹۱۷ تاریخ زمین را مجدداً تفسیر کرد تا با نتایج سن‌یابی رادیواکتیویته سازگار باشد. برل بر این نکته تاکید می‌ورزید که شدت فرآیندهای زمین‌شناختی نه به طریقی یکنواخت بلکه به صورت چرخشی تغییر می‌کند. بنابراین، سرعت کنونی تغییرات زمین‌شناختی، بر خلاف یکنواخت‌گرایان، نمی‌تواند راهنمای گذشته باشد.

بالاخره مقاومت در هم شکست. در ۱۹۲۱ در یک گردهمایی «انجمن بریتانیایی برای پیشبرد علم» (BAAS) سخنرانان از طرف زمین‌شناسان، گیاه‌شناسان، جانورشناسان، ریاضی‌دانان و فیزیک‌دانان موافقت نشان دادند که زمین چند میلیارد سال دارد و تکنیک‌های زمین‌شناختی و رادیواکتیویته را می‌توان با هم آمیخت، ولی هیچ طرحی برای این اتحاد ریخته نشد. تعجب‌آور نبود که مخالفان سابق هنوز مردد بودند. سولاس سنی بیشتر از ۱۰۰ میلیون سال را برای زمین می‌پذیرفت. وی گفت: «زمین‌شناسان به مدت زمانی که فیزیک‌دانان به آن‌ها عرضه می‌کنند، چندان توجهی ندارند. برای آنان مهم نیست که این مدت زمان طولانی باشد یا – با رعایت جانب اعتدال – کوتاه. ولی آنان مایلند مطمئن باشند که می‌توان به آسودگی بر این مدت زمان تکیه کرد پیش از آن‌که خود را مشغول بازسازی علم‌شان کنند.»

سرانجام نبرد در سال ۱9۲۶ به پیروزی رسید: در ایالات متحده آمریکا، شورای پژوهش‌های ملی (NRC) متعلق به فرهنگستان ملی علوم، کمیته‌ای را برای بررسی مسئله سن زمین گماشت. هولمز، به عنوان یکی از متخصصان معدود در این موضوع، یکی از اعضای این کمیته بود و تقریبا ۷۰% گزارش آن را نوشت. کمیته به اتفاق آرا موافقت کرد که رادیواکتیویته تنها مقیاس زمان زمین‌شناسی قابل اطمینان را فراهم می‌سازد. این گزارش بسیاری شواهد روشن و دقیق ارائه داد. ثابت‌های رادیواکتیویته با استواری تعیین شد. ایزوتوپ‌های سرب در محاسبات در نظر گرفته شد، نمونه‌های کانی با دقت انتخاب شد تا اطمینان حاصل شود که محصولات واپاشی در گذر زمان از بین نرفته‌اند. روش‌های سن‌یابی رادیواکتیویته به پیشاهنگی رادرفورد و بولتوود و تحکیم هولمز، بالاخره پشتیبانی زمین‌شناسان را کسب کرد. زمین‌شناسان، نه فقط اثری از آغاز، بلکه چشم-اندازی برای سن‌یابی همه تاریخ زمین نیز یافتند.

در طی شش دهه گذشته، کاربرد روش سن‌یابی سرب تغییر چندانی نکرده است و تکنیک‌های کنونی برملا می‌سازد کهن‌ترین سنگ‌ها در زمین 8/3 میلیارد سال پیش تشکیل شده‌اند. در این تاریخ پایین‌ترین حد سن پوسته جامد زمین را مشخص می‌کند ولی الزاماً نمایانگر زمانی نیست که ابر مارپیچی گاز و غبار به صورت منظومه شمسی درآمد. در سال ۱۹۵۵، کلیر پترسن، از انستیتوی تکنولوژی کالیفرنیا، و همکارانش نخست بار سن منظومه شمسی را از طریق یافتن سن شهاب‌سنگ‌ها تعیین کردند. تازه‌ترین اندازه‌گیری‌های شهاب‌سنگ‌ها، سن زمین اولیه را 5/4 میلیارد سال قلمداد می‌کند. (سن زمین و منظومه شمسی از سه طریق تعیین شده است. سن‌یابی شهاب‌سنگ‌ها و سن‌یابی نمونه سنگ‌های ماه به روش‌های رادیواکتیویته اورانیوم – سرب و روبیدیوم – استرانسیوم، و محاسبه سن زمین با در نظر گرفتن این واقعیت که در طول زمان مقدار سرب حاصل از رادیواکتیویته ایزوتوپ‌های سرب ۲۰۶ و سرب ۲۰۷ – نسبت به سرب اولیه – سرب 204 – افزایش یافته است، لذا با برون‌یابی این نسبت ایزوتوپ‌های سرب به زمان گذشته می‌توان به تاریخ تولد زمین رسید. هر سه طریق نشان می‌دهد که منظومه شمسی و زمین حدود 4500000000 سال پیش تشکیل شده است.)