Naturvitenskapelig datering av forhistorisk materiale

Radioaktive «klokker» måler tiden i millioner av år, men hvor nøyaktige er de?

Denne artikkelen og de to neste beskriver og vurderer de forskjellige dateringsmetodene basert på radioaktivitet som geologene benytter for å bestemme alderen på bergarter og levninger av organismer som en gang har levd. Artiklene er bearbeidet av en kjernefysiker som har mange års erfaring når det gjelder både forskning og arbeid i forbindelse med radioaktivitet.

«Rike arkeologiske funn oppdaget i avløpsgrøft. Ti tusen år gamle levninger viser at det levde mennesker i Florida i istiden, mener forskere.»

«Den eldste steinalderhytte i Japan er blitt avdekket i nærheten av Osaka. Arkeologer daterer den til å være omkring 22 000 år gammel.»

«For cirka en million år siden rant det en elv gjennom den østlige delen av Corona (California), og mastodonter, kameler, hester og kaniner var blant de forhistoriske dyrene som holdt til ved dens bredder.»

DISSE påstandene er typiske for dem som bekjentgjør oppdagelser som er blitt gjort av arkeologer og paleontologer. Det første folk vil vite om et nytt funn, er: Hvor gammelt er det? Den vitenskapsmannen som snakker med reportere, er alltid rede til å gi et svar, enten det er basert på beviser eller det bare er en antagelse.

Når du leser slike meldinger, lurer du da noen gang på: Hvordan vet de dette? Hvor sikkert er det at det levde mennesker i Florida for 10 000 år siden og i Japan for 22 000 år siden, eller at mastodonter og kameler streifet omkring i California for en million år siden?

Det er flere forskjellige naturvitenskapelige dateringsmetoder som blir brukt for å bestemme alderen på levninger fra forhistorisk tid. Noen er mer pålitelige enn andre, men ingen er så pålitelige som de aldersbestemmelsene som er basert på historiske opptegnelser. Men menneskenes historiske opptegnelser går i høyden bare 6000 år tilbake. Når vi går enda lenger tilbake i tiden, er de naturvitenskapelige dateringsmetodene det eneste vi har.

Radiologisk datering

Av de forskjellige naturvitenskapelige dateringsmetodene er det den radiologiske datering som er mest pålitelig. Den er basert på den hastighet radioaktive spaltningsprosesser foregår med. Mens andre metoder avhenger av prosesser som kanskje foregår hurtigere eller langsommere under forskjellige miljømessige forhold, for eksempel skiftende temperatur, har det vist seg at radioaktive spaltningshastigheter ikke blir berørt av ekstreme, ytre forhold.

Uran-bly-metoden

Vi kan illustrere metoden med den første radioaktive «klokke» som ble laget, den som er basert på at uran spaltes til bly. Radioaktiv spaltning foregår nøye etter en statistisk sannsynlighetslov. Den mengde uran som spaltes innenfor et bestemt tidsrom, er alltid proporsjonal med den mengden som er igjen. Dette resulterer i en kurve som den som er tegnet på side 19, og som viser hvor mye som er igjen til enhver tid. Den tiden det tar for halvparten av uranet å spaltes, kalles dets halveringstid. Halvdelen av den resterende halvparten blir spaltet i løpet av den neste halveringstiden, slik at det blir igjen en fjerdedel av den opprinnelige mengden. Etter tre halveringstider er det en åttendedel igjen, og så videre. Uran har en halveringstid på 4,5 milliarder år.

Ettersom uran spaltes til bly, øker blymengden hele tiden. Hvor stor mengden er til enhver tid, fremgår av kurven. Blykurven er motstykket til urankurven, slik at det totale antall blyatomer og uranatomer alltid er det samme, det vil si det antall vi hadde til å begynne med.

Sett nå at vi har en bergart som inneholder uran, men ikke noe bly, og at vi «forsegler» den, slik at det ikke kan komme noe til eller sive noe ut. En tid senere bryter vi «forseglingen» og måler mengden av uran og bly. Ut fra dette kan vi finne ut hvor lang tid som er gått siden vi «forseglet» bergarten. Hvis vi for eksempel finner like store mengder bly og uran, vet vi at det har gått én halveringstid, det vil si 4,5 milliarder år. Hvis vi finner ut at bare én prosent av uranet er spaltet til bly, kan vi bruke den matematiske formelen for kurven og komme fram til at det er gått 65 millioner år.

Det er verdt å merke seg at vi ikke behøver å vite hvor mye uran det var i bergarten til å begynne med, siden det eneste vi behøver å måle, er forholdet mellom bly og uran ved slutten av perioden. Og det er jo bra, siden ingen av oss levde og kunne måle noe ved begynnelsen av eksperimentet.

Nå tenker du kanskje at det er noen enorme tidsperioder vi snakker om — millioner og milliarder av år. Hva slags nytte kan vi ha av en «klokke» som går så sakte? Vi lærer at selve jorden har eksistert i noen milliarder av år, og at det enkelte steder finnes bergarter som ser ut til å være nesten like gamle. Så for geologene er en slik «klokke» et nyttig hjelpemiddel når de studerer jordens historie.

Hvor pålitelige er de?

Vi må innrømme at dateringsmetoden ikke er så enkel som vi har beskrevet den. Vi nevnte at det ikke må være noe bly i bergarten til å begynne med. Dette er vanligvis ikke tilfellet; det vil som regel være noe bly helt fra starten av. Det betyr at bergarten har en «innebygd alder», det vil si at «klokken» vil starte på et visst antall år, ikke på null, slik det ble forutsatt. Vi gikk også ut fra at uranet var godt «forseglet», slik at ikke noe uran kunne komme til eller sive ut. Noen ganger er dette tilfellet, men ikke alltid. I løpet av lange tidsperioder kan det være at noe av blyet eller uranet siver ut i grunnvannet. Eller det kan være at mer uran eller bly kommer til, særlig hvis det er en sedimentær bergart. Uran-bly-metoden virker derfor best på vulkanske bergarter.

Andre vanskeligheter oppstår fordi et annet grunnstoff, thorium, som kan forekomme i mineralet, også er radioaktivt og sakte spaltes til bly. Dessuten har uran to isotoper som danner bly. De har samme kjemiske egenskaper, men forskjellig atomvekt og forskjellig spaltningshastighet. Sluttproduktet blir to forskjellige blyisotoper, så vi trenger ikke bare en kjemiker med sine reagensglass, men også en fysiker med et spesielt instrument for å skille de to blyisotopene med forskjellig atomvekt.

Uten å ta for oss disse problemene i detalj kan vi forstå at de geologene som bruker uran-bly-metoden, må være oppmerksomme på en rekke fallgruver hvis de skal komme fram til et rimelig pålitelig svar. De er glad for at de har andre radiometriske metoder som kan bekrefte deres aldersbestemmelser. Det er blitt utviklet to andre metoder som ofte kan brukes på samme bergart.

Kalium-argon-metoden

Den metoden som er mest brukt, er kalium-argon-metoden. Kalium er et vanligere grunnstoff enn uran — kaliumklorid blir solgt i dagligvareforretninger som en erstatning for alminnelig salt. Kalium består hovedsakelig av to isotoper med atomvekten 39 og 41, men et tredje isotop, med atomvekten 40, er svakt radioaktivt. Et av spaltningsproduktene er argon, en edelgass som utgjør cirka én prosent av atmosfæren. Kaliumisotopet 40 har en halveringstid på 1,4 milliarder år. Det passer derfor å bruke denne metoden når en skal måle aldere fra en del millioner år til milliarder av år.

I motsetning til uran er kalium et stoff det finnes mye av i jordskorpen. Det finnes i mange mineraler i de alminneligste bergartene, både vulkanske og sedimentære bergarter. For at kalium-argon-«klokken» skal virke, må de samme betingelsene som er beskrevet ovenfor, oppfylles: Kaliumet må ikke inneholde argon når «klokken» begynner å gå, det vil si, når mineralet dannes. Og det må ikke komme til eller sive ut noe kalium eller argon mens prosessen pågår.

Hvor godt virker «klokken» i praksis? Noen ganger virker den svært bra, men andre ganger virker den dårlig. Noen ganger viser den aldere som avviker mye fra de aldrene som uran-bly-«klokken» viser. Den viser vanligvis en lavere alder, og slike resultater tilskrives tap av argon. Men andre ganger stemmer resultatene av disse to metodene svært bra overens.

En interessant bruk av kalium-argon-metoden var aldersbestemmelsen av en bergart som astronautene med Apollo 15 tok med seg fra månen. Ved å bruke en bit av denne bergarten målte vitenskapsmenn hvor mye kalium og argon den inneholdt, og kom fram til at bergarten var 3,3 milliarder år gammel.

Rubidium-strontium-metoden

I den senere tid er det blitt utviklet en annen radioaktiv «klokke» for å bestemme alderen på mineraler. Den er basert på at rubidium spaltes til strontium. Rubidium spaltes utrolig sakte. Det har en halveringstid på 50 milliarder år! Det er blitt spaltet så lite av det selv i de eldste bergarter at det er nødvendig med svært nøyaktige målinger for å skille spaltningsproduktet strontium 87 fra det opprinnelige strontium. Det kan være at det er hundre ganger så mye strontium som rubidium i mineralet, og selv i løpet av en milliard år blir bare omtrent én prosent av rubidiumet spaltet. Til tross for disse vanskelighetene er den lille mengden strontium som er blitt dannet ved spaltningsprosessen, i noen tilfelle blitt målt. Denne metoden er nyttig når man skal kontrollere de aldrene man har kommet fram til ved hjelp av andre metoder.

Denne metoden ble brukt for å bestemme alderen på en meteoritt som astronomene tror kanskje er lik de steinblokkene som ifølge deres teorier falt sammen og dannet planetene, en levning fra det opprinnelige materialet som solsystemet ble dannet av. Den alderen man kom fram til, 4,6 milliarder år, stemte med dette synet.

Denne rubidium-strontium-metoden oppnådde man et svært godt resultat med da man bestemte alderen på den samme bergarten fra månen som er nevnt ovenfor. Fem forskjellige mineraler i bergarten ble testet. Og alle viste at alderen var 3,3 milliarder år, den samme alderen som man kom fram til ved hjelp av kalium-argon-metoden.a

I noen tilfelle stemmer resultatene fra disse tre geologiske dateringsmetodene bra overens og styrker tilliten til at alderen i slike tilfelle høyst sannsynlig er riktig. Men det bør understrekes at slike tilfelle bare viser hva slags overensstemmelser som er mulig under ideelle forhold. Og forholdene er vanligvis ikke ideelle. Vi kunne nevne langt flere tilfelle hvor resultatene avviker fra hverandre.

Paleontologer forsøker å bestemme alderen på fossilene

Paleontologer har prøvd å etterligne geologenes suksess når det gjelder å bestemme alderen på bergarter som bare er noen få millioner år gamle. De tror at noen av fossilene deres kanskje skriver seg fra en tid innenfor den samme tidsperioden. Dessverre virker ikke kalium-argon-«klokken» så bra for dem. Det finnes jo ikke fossiler i vulkanske bergarter, men bare i sedimentære bergarter, og radiometriske dateringsmetoder er som regel ikke pålitelige når det gjelder sedimentære bergarter.

Et eksempel på dette er når fossiler er blitt begravd av vulkansk aske som senere har antatt fast form og er blitt en tuff. Dette er egentlig et sedimentært lag, men det er dannet av størknet, vulkansk materiale. Hvis det er mulig å bestemme alderen på det, vil det angi hvor gammelt fossilet inni det er.

Slike funn ble gjort i Olduvaislukten i Tanzania, hvor fossiler av apelignende dyr tiltrakk seg spesiell oppmerksomhet fordi de som fant dem, hevdet at de hadde tilknytning til menneskene. De første målingene av argonet i den vulkanske tuffen hvor fossilene ble funnet, viste en alder på 1,75 millioner år. Men senere målinger som ble foretatt i et annet egnet laboratorium, viste at fossilene var en halv million år yngre. Noe som var høyst skuffende for evolusjonistene, var at man fant ut at andre lag i tuffen, over og under det laget hvor fossilene ble funnet, hadde en alder som ikke stemte. Noen ganger inneholdt det øverste laget mer argon enn laget under. Men det er galt geologisk sett — det øverste laget måtte ha blitt avleiret etter det nederste og skulle derfor ha inneholdt mindre argon.

Konklusjonen ble at målingene var upålitelige fordi ikke alt argon som var blitt dannet fra før, hadde dampet vekk fra smeltemassen. «Klokken» var ikke nullstilt. Hvis bare 0,1 prosent av det argon som tidligere var blitt dannet i bergarten som følge av spaltning av kalium, ble tilbake i bergarten da den smeltet i vulkanen, ville «klokken» bli satt i gang mens den allerede viste nesten en million år. Som en ekspert uttrykte det: «Noen av aldersbestemmelsene må være gale, og hvis noen av dem er gale, kan det være at alle er det.»

Til tross for at eksperter mener at disse aldersbestemmelsene kanskje er helt meningsløse, fortsetter populære tidsskrifter som forsvarer utviklingslæren, å oppgi de første resultatene av målingene av fossilene i Olduvai og å si at fossilene er 1,75 millioner år gamle. De gjør ikke den alminnelige leser oppmerksom på at slike aldersbestemmelser egentlig bare er antagelser.

[Fotnote]

[Uthevet tekst på side 18]

Geologer som bruker uran-bly-metoden, må være oppmerksomme på en rekke fallgruver

[Uthevet tekst på side 20]

De gjør ikke oppmerksom på at slike aldersbestemmelser bare er antagelser

[Diagram på side 19]

(Se den trykte publikasjonen)

Den minkende mengden uran er direkte proporsjonal med den økende mengden bly

100%

50%

25%

12,5%

Halveringstider

bly (argon)

uran (kalium)

[Illustrasjon på side 18]

(Se den trykte publikasjonen)

Uran

Bly

Hvor mye uran (eller bly) inneholdt denne bergarten opprinnelig?

Hvor mye uran (eller bly) kom senere til i bergarten?

Hvor mye bly ble dannet ved at thorium ble spaltet?