Vào những năm 1860, theo các nhà vật lý, trái đất chỉ mới 50 triệu năm. Trong khi đó thì các nhà địa chất và tự nhiên học đưa ra con số hàng trăm triệu năm, dựa vào các nguyên lý “thống nhất” do nhà khoa học Anh Charles Lyell, đã đề cập trong cuốn sách “Các nguyên lý của Địa chất học”. Tác phẩm này gồm 3 tập xuất bản vào đầu những năm 1830 với cách quan sát và phân tích các lớp địa chất khác nhau, tỉ lệ trầm tích, nghiên cứu hóa thạch.

Trái đất chưa quá già

Năm 1859, Charles Darwin cho ra đời tác phẩm nổi tiếng về nguồn gốc các loài. Trước đó ông đã đọc tác phẩm của Lyell, và nhà tự nhiên học người Anh đã nhấn mạnh ảnh hưởng của học thuyết Lyell tới học thuyết của ông: Bất cứ ai đọc tác phẩm lớn của ngài Charles Lyell về nguyên lý của địa chất được các nhà lịch sử tương lai cho là cuộc cách mạng trong khoa học tự nhiên, mà không công nhận chuỗi dài các giai đoạn đã qua có thể gấp quyển sách này lại.

Thuyết tiến hóa qua con đường chọn lọc tự nhiên của Darwin cho rằng Trái đất phải tồn tại tương đối lâu để các sinh vật có thời gian tiến hóa qua biến dị và chọn lọc tự nhiên.

Dựa vào tính toán đơn giản về tốc độ xói mòn của đất, Darwin đã đưa ra con số 300 triệu năm. Nhưng những phê phán về phương pháp đã buộc ông phải điều chỉnh lại ước tính này ngay trong lần tái bản thứ hai, và loại bỏ tất cả những con số phỏng đoán trong những lần tái bản sau. Tuy nhiên, các nhà địa chất học cũng như Darwin vẫn tin rằng thời gian địa chất là rất dài.

Tuy nhiên, nhà vật lý William Thomson (1824 - 1907), được biết nhiều dưới cái tên Lord Kelvin (được đặt cho thước đo nhiệt độ tuyệt đối), nghi ngờ tính chính xác của học thuyết tiến hóa của Darwin và nhất là thước đo thời gian mà Lyell đã đưa ra.

Theo ông, những quy luật của nhiệt động học cho phép suy luận rằng, Trái đất cũng như Mặt trời tương đối trẻ. Vì nếu Trái đất đã tồn tại hàng trăm triệu năm, tại sao Trái đất không nguội lạnh đi hoàn toàn? Kelvin đã sử dụng các luật về phát tán nhiệt của nhà toán học Pháp Joseph Fourier vào đầu thế kỷ 19 để chỉ ra là tuổi của Trái đất (cũng như của Mặt trời) chỉ khoảng 100 triệu năm.

Các nhà địa chất học có vẻ nhụt chí trước những tính toán của Kelvin dựa trên những quy luật toán học phức tạp mà họ không nắm rõ. Hơn nữa trong bậc thang khoa học, địa chất và vật lý bao giờ cũng xếp sau toán. Cần phải nói thêm rằng các nhà địa chất vào thời điểm đó không có bất cứ một phương pháp nào cho phép họ có được một con số về thời gian cụ thể.

Mơ hồ khoa học

Hơn một nửa thế kỷ, câu hỏi về tuổi của Trái đất vẫn không có câu trả lời thuyết phục. Trong khi các nhà địa chất cho rằng Trái đất khoảng 100 triệu năm, thì Kelvin vẫn tiếp tục nghiên cứu, và năm 1897 ông đã công bố những tính toán mới cho thấy Trái đất khoảng 20- 40 triệu năm tuổi. Các nhà địa chất học miễn cưỡng chấp nhận con số này.

Sự bất đồng về tuổi của Trái đất giữa các nhà vật lý, các nhà địa chất và tự nhiên học tồn tại cho tới đầu thế kỷ 20. Giải pháp bất ngờ được đưa ra nhờ các công trình của nhà vật lý New Zealand Emest Rutherford (1871 - 1937), được đào tạo tại Cambridge và từng làm việc trong phòng thí nghiệp của J. J. Thomson - người đã phát hiện ra electron. Chính nhà vật lý này đã tìm thấy lỗ hổng trong lập luận của Kelvin, và ủng hộ quan điểm của các nhà địa chất và tự nhiên học.

Từ năm 1898, Rutherford - Giáo sư vật lý của Đại học McGill, Montreal đã nghiên cứu đặc tính phóng xạ của Radi.

Mùa hè năm 1903, hai nhà vật lý người Pháp là Pierre Curie và Albert Laborde đã phát hiện ra Radi sản sinh ra rất nhiều nhiệt. Rutherfurd, được sự trợ giúp của một chuyên gia về đo nhiệt độ là Howard Turner Barnes đã theo hướng nghiên cứu này và khẳng định rằng, nhiệt sinh ra khi các nguyên tử phân rã là rất lớn nếu so với kích thước nhỏ bé của chúng.

Ông đã suy ra rằng các chất phóng xạ, được phân bố ở bề mặt Trái đất, đã sưởi ấm nó. Trái đất sẽ không nguội dần đi như Kelvin đã nói và có thể giữ nhiệt độ trung bình hàng triệu năm.

Nhiệt lượng bên trong

Rutherford tới Anh để tổ chức hội thảo tại Học viện Hoàng gia London với sự hiện diện của Lord Kelvin. Trong cuộc hội thảo, ông đã chỉ ra rằng những tính toán của nhà vật lý theo quan điểm chống lại Darwin đã sai vì đã giả thiết rằng không có nguồn nhiệt bên trong Trái đất.

Tuy nhiên, nguồn nhiệt này tồn tại dưới dạng Radi và các nguyên tố phóng xạ khác. Nó giúp Trái đất không bị lạnh đi đúng như theo thuyết động nhiệt học: Một vật chỉ mất đi nguồn nhiệt của mình khi không thể sản sinh ra nó từ bên trong. Trái đất có thể có nhiệt độ tương đối ổn định như các nhà địa chất đã khẳng định mặc dù không hiểu lý do của hiện tượng này.

Lord Kelvin không tin rằng Radi có thể là một nguồn nhiệt bên trong của Trái đất; đồng nghĩa với việc ông không chấp nhận quan điểm Trái đất đã hình thành từ rất lâu, với việc công nhận thuyết tiến hóa mà ông từng gạt bỏ hoàn toàn.

Nhà vật lý Max Planck đã nói trong cuốn sách tự truyện của mình: Một sự thật khoa học mới không chiến thắng bằng cách thuyết phục những người đối lập, làm cho họ nhìn thấy ánh sáng mà bởi vì những người đối lập đã chết đi và một thế hệ mới sinh ra, trở nên quen thuộc với học thuyết mới. Điều này gần giống với thuyết mà Lord Kelvin bảo vệ, nhưng nó bị lãng quên hoàn toàn sau khi ông qua đời vào năm 1907.

Tính tuổi của quặng

Nếu giả thiết về nguồn nhiệt bên trong của Trái đất đã bị loại bỏ, chỉ còn lại duy nhất phương pháp để biết tuổi của hành tinh chúng ta là xác định tuổi của quặng. Quy luật về phân rã nguyên tử của Rutherfurd và đồng nghiệp Frederick Soddy - nhà vật lý đoạt giải Nobel, đã tạo ra đơn vị đo thời gian của quặng.

Thực vậy, Rutherford đã ghi lại vào năm 1905 trong các bài giảng về tính phóng xạ tại Đại học Yale rằng đo trọng lượng của các quặng urani bằng hai và tỉ lệ tạo thành khi phân rã urani cho phép có được ước tính chính xác về tuổi của quặng. Từ tháng 11/1905, Bertram Borden Bolt - wood, một cộng sự của ông tại Đại học Yale, đã thông báo rằng nhờ có phương pháp của Ruther - ford họ đã xác định được tuổi của nhiều quặng trong khoảng 92 tới 570 triệu năm.

Vài năm sau, Boltwood tiếp tục nghiên cứu này, trong khi đó Rutherford đã chuyển sang hướng khác và tìm thấy những tảng đá có tuổi hơn 1, 6 tỉ năm: Ngày nay, nhờ có các kỹ thuật xác định niên đại tân tiến, chúng ta đã biết rằng Trái đất hình thành khoảng 4,5 tỉ năm về trước.

Cuối cùng, các nhà vật lý đã phải công nhận các nhà địa chất và tự nhiên học có lý khi tin rằng Trái đất của chúng ta hình thành từ rất xa xưa. Điều quan trọng là họ đã góp phần tạo ra thước đo thời gian tuyệt đối, thay thế cho thước đo tương đối của các nhà địa chất. Những nguyên tử phóng xạ đã giúp tạo ra thước đo để xác định chính xác tuổi của Trái đất - điều mà vào cuối thế kỷ 19 nhiều nhà địa chất tin rằng không thể thực hiện được.

(Tạp chí Tia sáng tháng 11/2009)