Físicos contra biólogos y geólogos: La edad de la Tierra

Dos genios enfrentados: Darwin y Kelvin

Estamos a mediados del siglo XIX. Maxwell está a punto de unificar los ya bien conocidos fenómenos del magnetismo y la electricidad. La termodinámica se desarrolla a pasos agigantados a lomos de la ingeniería de las máquinas de vapor. Haciendo uso de esta nueva herramienta, William Thompson (Lord Kelvin), una de las mayores figuras científicas del momento, intenta estimar la edad del mundo.

Comenzando con el Sol, Kelvin no veía otro origen a su energía que la procedente del colapso gravitatorio de la nebulosa (o "vórtice meteorítico") que lo formó, proceso originalmente propuesto por el genial Helmholtz. No se conocían aún las fuerzas nucleares, que hoy sabemos toman el relevo de la contracción gravitatoria a partir de un momento dado en la formación estelar. De este modo, en 1864, Kelvin estimó que nuestra estrella no podía haber estado brillando al ritmo actual desde hace más de 100 millones de años.

Por otro lado, Fourier acababa de enunciar su ecuación del calor y Kelvin se aprestó a usarla para estimar (también en 1864) la edad de la Tierra entre 20 y 400 millones de años (lo que tardaría en enfriarse hasta llegar al gradiente actual de un aumento de un grado por 30m de profundidad). En 1897 refinaría este cálculo aún más: la Tierra no podía tener más de 40 millones de años. Basándose en esos mismos cálculos, la temperatura terrestre hubiese sido incompatible con la vida hasta hace un par de millones de años.

Mientras tanto, los biólogos iban aceptando la teoría de la evolución de Wallace y Darwin. Charles Darwin estimó en su "El origen de las especies" que para que la evolución fuese una teoría válida, tenía que haber trabajado a lo largo de muchos cientos de millones años. En la misma obra, Darwin da su propia cota mínima de 300 millones de años para la edad de la Tierra, gracias a un argumento basado en los efectos de la erosión (ver capítulo 9 del "Origen de las Especies").

Los partidarios de las teorías de Darwin no eran los únicos en sugerir que la Tierra era mucho más antigua que lo que estimaba Kelvin. Charles Lyell, un geólogo que estudiaba la formación de cordilleras, también creía en la teoría de una tierra antigua, al igual que otros de sus colegas.

La línea estaba perfectamente trazada cuando se produjo el cambio de siglo. Geólogos y biólogos a un lado que creen que la Tierra tiene más de varios centenares de años, apoyando esta sugerencia con estimaciones no muy bien sustentadas. Al otro lado, físicos como Kelvin, Helmholtz y George H. Darwin (hijo de Charles Darwin), que demostraban con poco lugar a dudas que la Tierra no podía tener más que unas pocas decenas de años.

Las reacciones de unos ante la posición de los otros eran variadas. Muchos de los biólogos, veían la solidez los argumentos de Kelvin, y procuraban no pronunciarse en contra. Tanto era así que el mismo Darwin llegó a eliminar cualquier referencia a tiempos geológicos en subsiguientes ediciones del "Origen de las Especies". Otros mostraron una postura más combativa: Thomas Henry Huxley, apodado "el bulldog de Darwin", opinaba abiertamente que las suposiciones de Kelvin debían ser erróneas. Finalmente, intentos de acercamiento se hicieron también desde ambos lados, pero resultaron generalmente en fracaso. 

John Perry

Una honrosa excepción fueron los cálculos del matemático e ingeniero irlandés John Perry. En 1895 Perry publicó un artículo en el que explicaba que una de las suposiciones de Kelvin podía ser errónea. Si bajo la corteza terrestre hay una capa fluída (como de hecho creemos ahora) se pueden producir movimientos de convección que incrementarían la conductividad térmica. Teniéndo en cuenta este efecto, Perry consideraba que la edad de la Tierra podría extenderse en otros mil millones de años. Sin embargo, sus sugerencias fueron ignoradas durante mucho tiempo, y la controversia sobre la edad de la Tierra siguió una veintena de años más.

LA SOLUCIÓN AL PROBLEMA

La clave para resolver el desacuerdo vendría desde el campo de la Física y sería el descubrimiento de la radiactividad natural. Por un lado sería un proceso fuertemente exotérmico que contribuiría a compensar el calor perdido por la Tierra, pudiendo aumentar su edad en las estimaciones. Por otro, y más importante, las características del decaimiento radiactivo permiten usarlo para datar rocas.

Dado un átomo de un material radiactivo, no se puede predecir cuando se va a desintegrar, un proceso que ocurrirá de forma completamente aleatoria. Sin embargo,  dado que todos los átomos del mismo material se comportan con la misma ley aleatoria, podremos hacer buenas predicciones de lo que tardará en desintegrarse una fracción determinada de un conjunto grande de átomos. Por ejemplo, para cada elemento radiactivo se puede definir una determinada vida media, que simplemente es el tiempo que tarda en desintegrarse la mitad de una muestra de la sustancia.

Cuando se forma una roca, los átomos se colocan ateniéndose a sus propiedades químicas. Al producirse la desintegración, los productos de ésta quedan atrapados en la roca. Comparando la cantidad de estos productos con la parte del material radiactivo que queda sin desintegrar, podemos estimar cuándo se formó la roca.

Los primeros intentos de datar una roca de este modo fueron los de Bertram B. Boltwood y Ernst Rutherford alrededor de 1905, y los de Arthur Holmes a partir de 1911. Algunas dataciones daban edades superiores a los mil millones de años para algunas rocas. La comunidad de geólogos no aceptó de momento esos datos, por considerar estos métodos de datación poco fiables. No fue hasta 1921 cuando la comunidad científica se pronunció en su mayoría a favor de la idea de una Tierra de unos cuantos miles de años. La Tierra era entonces lo suficientemente vieja como para contentar a los biólogos evolucionistas: el debate había terminado.

¿Pero qué ocurría con el Sol? Las suposiciones en las que Kelvin basó sus cálculos originales seguían siendo válidas entonces, ya que seguía sin conocerse otro mecanismo que la contracción gravitatoria para que el Sol pudiese obtener energía. La conclusión era absurda: el Sol parecía más joven que la Tierra...

Hubo que esperar hasta 1929 para que Robert Atkins y Fritz Houtermans sugirieran que el Sol podría también obtener energía de la fusión nuclear. Pese a que este primer artículo contenía algunos errores, la idea era la adecuada, y con esta nueva fuente de energía, pronto quedó claro que el Sol podría haber sido una estrella estable durante varios miles de millones de años. Esto cerraba el último capítulo de la polémica entre físicos y biólogos por la edad de la Tierra.

Esta entrada participa en la XIX edición del Carnaval de la Física que este mes organiza el blog Scientia.