Vek Zeme

Vek Zeme je približne 4,5 miliardy (4,5. 10⁹) rokov. Toto číslo je kompromisom medzi vekom najstaršieho minerálu nájdeného na Zemi – zirkónu z Jack Hills v Austrálii a astronómami a planetológmi odhadovaného veku slnečnej sústavy. Rádiometrickým datovaním zirkónu bol stanovený jeho vek na 4,4 miliardy rokov (±8 miliónov rokov). Porovnanie masy a svietivosti Slnka s množstvom iných hviezd sa zdá, že vek celej slnečnej sústavy nemôže byť omnoho starší. Toto korešponduje s vekom Ca-Al inklúzií nájdených v meteoritoch, ktoré boli vytvorené spolu so vznikom slnečnej sústavy a ich vek bol stanovený na 4,567 miliardy rokov, čo určuje vek slnečnej sústavy a indikuje hornú hranicu veku Zeme. Utváranie Zeme akréciou tuhých častíc sa teda začalo čoskoro po vzniku týchto inklúzií a meteoritov. Nakoľko čas akrécie nie je presne známy (rôzne modely sa rozchádzajú v miliónoch rokov), nedá sa ani presnejšie určiť vek Zeme.

Predvedecké predstavy

V storočiach predchádzajúcich vedecko-technickej revolúcii boli predstavy o stvorení Zeme prevažne náboženského charakteru. Tieto predstavy pretrvávajú aj dodnes, niektoré skupiny dokonca odmietajú akékoľvek vedecké dôkazy.
Niektoré hinduistické pohľady trvajú na tom, že vesmír sa vytvára, zaniká a znovu sa vytvára v cykloch. V hinduistickej kozmológii je stanovený vek trvania vesmíru na 4,32 miliardy rokov (čo predstavuje jeden deň života Brahmu). Potom bude zničený a znovu sa stvorí. Podľa Číňanov Zem vzniká a zaniká v 23 miliónových ročných cykloch.
Európske predstavy boli omnoho konzervatívnejšie. Arcibiskup  James Ussher z Armaghu vyrátal v roku 1654 podľa Biblie a astronomických pozorovaní dátum stvorenia Zeme na 23. október 4004 pred Kr.
Byzantský filozof, misionár a zakladateľ slovanského písomníctva Konštantín Filozof vo svojom veršovanom predhovore k staroslovienskemu prekladu Biblie známom pod menom Proglas čiže Predslov (je vôbec prvou literárnou pamiatkou v staroslovienčine) uviedol dobovú predstavu o veku Zeme s tým, že hovoril o siedmom tisícročí. Siedme tisícročie vyšlo tak, že od stvorenia sveta (a Zeme) opísaného v Biblii, do narodenia Kristovho sa počítalo 5 508 rokov; keď sa k tomu pripočíta 863 (rok príchodu Konštantína a Metoda na Moravu), vyjde 6 371 rokov, teda 7. tisícročie.
Niekoľko ľudí (hlavne Aristoteles) si predstavovalo, že Zem je večná.

Prvé koncepty

V 18. storočí sa už prírodovedci pokúsili stanoviť vek Zeme vedeckými metódami. Michail Lomonosov, považovaný aj za zakladateľa ruskej vedy, bol jedným z prvých, kto sa pokúsil vyriešiť túto úlohu. Vek Zeme odhadoval na pár desiatok tisíc rokov.
Lomonosovove myšlienky boli až príliš špekulatívne. V roku 1779 sa Francúz Comte du Buffon snažil zistiť vek Zeme pokusom. Zostrojil malý model s podobným zložením ako Zem. Tento model pomaly ochladzoval a vyšlo mu, že Zem je stará 75 000 rokov.
Veľmi málo prírodovedcov si myslelo to isté. Väčšina predpokladala, že Zem je večná, alebo jej vznik odvodzovali od biblických predstáv. Ale, mnoho geológov štúdiom vrstiev hornín prišlo na to, že Zem sa časom menila. Tieto vrstvy občas obsahovali skameneliny neznámych organizmov. V roku 1790 britský prírodovedec William Smith poukázal na to, že v rozličných vrstvách sa nenachádzajú rovnaké skameneliny, čo poukazovalo na to, že dané vrstvy nie sú rovnako staré.
Niektorí prírodovedci (medzi nimi aj Smithov študent John Phillips) použili túto myšlienku na rekonštrukciu histórie Zeme, ale nevedeli zaradiť jednotlivé vrstvy na časovej škále, ani odhadnúť ich vek. V 1830 geológ Charles Lyell posunul túto teóriu ďalej, zapracoval do nej neustále zmeny Zeme (eróziu a tvorbu pohorí) a vytvoril novú teóriu pojednávajúcu o dejoch na Zemi  – aktualizmus.

Prvé výpočty (fyzikov, geológov a biológov)

V roku 1862 glasgowský fyzik William Thomson publikoval článok, v ktorom uviedol vek Zeme medzi 20 až 400 miliónov rokmi. Tento údaj zistil z výpočtov časov potrebných na ochladenie roztavenej kamennej gule rozmerov Zeme na izbovú teplotu. S danými časmi však bol problém, nakoľko niektoré javy trvali podľa odhadov omnoho dlhšie.
Biológovia boli ochotní akceptovať, že Zem existuje iba určitý čas, ale dané čísla sa im zdali príliš malé. Charles Darwin, ktorý navrhol teóriu o pôvode druhov, nebol ochotný akceptovať ani 400 miliónov rokov. Darwinov advokát Thomas Huxley napadol v roku 1869 Thomsonove výpočty s tým, že sú síce matematicky správne, ale vychádzajú z nesprávnych predpokladov, čo sa nakoniec ukázalo ako správne tvrdenie a Thomsonove výpočty boli skutočne nesprávne. Ďalší vedci (medzi nimi aj nemecký fyzik Hermann von Helmholtz) sa pokúšali o korekciu Thomsonových rovníc, ale všetky pokusy boli nesprávne, nakoľko predpokladali iba chladnutie, nepočítali s inými zdrojmi energie.

Objav rádioaktivity

Začiatkom 20. storočia bol Thomson povýšený za svoje zásluhy o rozvoj vedeckého poznania do šľachtického stavu a už ako lord Kelvin si bol istý svojou teóriou, že Zem nie je staršia ako 100 miliónov rokov. Kelvin odvodzoval vek Zeme od chladnutia žeravých železných gúľ. Geológovia, ktorí tušili, že Zem musí byť staršia, len korigovali tieto tvrdenia. Niektorí z nich sa pokúšali určiť vek Zeme na základe narastania salinity morskej vody, tieto merania však tiež neboli presné.
Zlom nastal, keď francúzsky chemik Henri Becquerel objavil v roku 1896 rádioaktivitu. V roku 1898 iní vedci Marie a Pierre Curie objavili rádioaktívne prvky polónium a rádium. Geológovia veľmi rýchlo pochopili, že rádioaktivita ako proces generujúci energiu je hlavný faktor ovplyvňujúci ich výpočty veku Zeme.
Lord Kelvin však, bez ohľadu na nové objavy, tvrdošijne zastával svoje pozície a odmietal uznať, že by sa mohol vo svojich výpočtoch mýliť. Proti jeho názorom sa počas života nikto neodvážil verejne vystúpiť, ale po jeho smrti v roku 1907 už bolo možné diskutovať o nových poznatkoch.

Začiatky rádiometrického datovania

Pokračovatelia vo výskume rádioaktivity (hlavne Ernest Rutherford) a zistili, že rádioaktívne prvky sa spontánne rozpadajú na prvky s menším atómovým číslom a uvoľňujú pri tom žiarenie. Taktiež zistil, že rýchlosť rozpadu (nazvaná aj polčas rozpadu) sa u rôznych prvkov líši.
Niektoré prvky sa rozpadajú rýchlo, iné zasa veľmi pomaly. Urán, tórium a rádium majú dlhý polčas rozpadu, preto, na rozdiel od prvkov s krátkym polčasom rozpadu, pretrvávajú v zemskej kôre. V skutočnosti sa však rádioaktívne prvky nerozpadajú priamo na stabilné, ale ich rozpad prechádza cez niekoľko medzistupňov (nazývaných aj rozpadové rady). Na základe tohto poznatku by sa dal stanoviť vek Zeme, prepočítaním obsahu pôvodných zložiek a ich rozpadových produktov. Priekopníkmi v tomto smere boli sám Rutherford a mladý chemik Bertram B. Boltwood. Boltwood začal ako prvý popisovať jednotlivé rozpadové rady a Rutherford objavil, že alfa-častice produkované alfa-rozpadom, zostávajú uzatvorené v horninách ako atómy hélia. William Ramsay zistil rýchlosť emisie alfa-častíc, a Rutherford deklaroval, že obsah hélia v horninách vypovedá o ich veku. Táto schéma bola síce nepoužiteľná, ale bola krokom správnym smerom.
Boltwood sa zameral na dokončenie svojej práce na rozpadových radoch. V roku 1905 zistil, že konečným produktom rozpadu rádia je olovo. Už predtým bolo známe, že samotné rádium vzniká rozpadom uránu. Rutherford sa pridal k jeho práci a navrhol, že rozpadový rad rádium-olovo by sa mohol použiť na datovanie hornín. Boltwood uskutočnil datovanie 26 vzoriek hornín a vyšli mu výsledky medzi 92 až 520 miliónov rokmi. Táto práca poukázala tiež na to, že v starších vrstvách musí byť väčší obsah olova ako v mladších. Daná teória však nezahrnovala možnosť, že olovo mohlo byť z horniny vylúhované v priebehu vekov. Zlepšenie techniky prinieslo aj opätovné definovanie veku daných vzoriek: 250 miliónov až 1,3 miliardy rokov.

Arthur Holmes a obhajoba rádiometrického datovania

Po publikácii Boltwoodových meraní sa geológovia začali zaujímať o rádioaktivitu. Samotný Boltwood však práce na datovaní hornín zanechal, venoval sa rozpadovým radom.
V Rutherfordových meraniach obsahu hélia pokračoval Robert Strutt až do roku 1910. Jeho študent Arthur Holmes pokračoval vo výskume rádiometrického datovania na základe obsahu olova (héliovú metódu považoval za neperspektívnu). Vypracoval metodické postupy na analýzu hornín daným datovaním. Určila aj vek najstaršej horniny na 1,6 miliardy rokov (urobil však závažnú chybu v tom, že v čase vzniku horniny predpokladal iba výskyt uránu a nie aj olova).
V roku 1915 sa na scénu dostáva objav izotopov chemických prvkov. Geológovia si mysleli, že nové objavy rádiometrické datovanie len skomplikujú.
Holmes pokračoval vo svojich pokusoch a ich zdokonaľovaní, aj keď jeho výsledky boli dlho ignorované. Až v 1921 boli plody jeho úsilia odmenené. V tomto roku sa uskutočnil míting Britskej asociácie pokroku vo vede, kde bola začatá široká diskusia o využití rádiometrického datovania. Aj keď mnoho geológov tvrdošijne odmietalo pokusy o zanesenie fyziky do ich odboru, napokon bola v roku 1926 na podnet Americkej akadémie vied založená komisia na zistenie veku Zeme. Holmes, ako vedec dlhodobo sa zaoberajúci touto problematikou, bol menovaný členom tejto komisie a vypracoval mnoho správ o činnosti komisie.
Závery komisie boli, že rádiometrické datovanie je spoľahlivá metóda na získanie údajov o veku hornín. Súčasťou správ boli aj metodické postupy, ako aj referencie o možných chybách.

Moderné rádiometrické datovanie

V súčasnosti je rádiometrické datovanie uznávaná metóda na zisťovanie veku hornín. Bolo vypracovaných vyše štyridsať rozličných metód, ktoré sa používajú na datovanie materiálov rôzneho veku aj zloženia. Zakladá sa na porovnaní obsahu rádioaktívnych izotopov a produktov ich rozpadu s použitím známych polčasov rozpadu. Medzi najčastejšie rádiometrické metódy datovania veku hornín K-Ar a U-Pb metóda alebo v súčasnosti sa rozvíjajúca metóda pozorovania stôp po štiepení U²³⁸.