Fizikai Szemle honlap

Tartalomjegyzék

Fizikai Szemle 2009/1. 11.o.

HOGYAN ÉLHETETT ERDŐS PÁL 2,5 MILLIÁRD ÉVET?

Simon Péter
Leőwey Klára Gimnázium, Pécs

Erdős Pál (1913-1996), a világhírű magyar matematikus a nyolcvanadik születésnapján adott tévéinterjúban közölte, hogy ő maga 2,5 milliárd éves. E meglepő kijelentés bizonyítása igen röviden a következő: "Amikor kicsi voltam, akkor a Föld 2 milliárd éves volt. Most [1993-ban] 4,5 milliárd éves." Ez a szokatlan érvelés adta az ötletet, hogy áttekintsem, az egyes korokban mit is gondoltak a Föld koráról.

A Biblia szerint

A zsidó-keresztény kultúrkörben a világ teremtett, amelyből óhatatlanul következik, hogy bolygónknak története és életkora is van. Az európai gondolkodásban sok mindenhez a Biblia adja a sorvezetőt. Leginkább olyan kérdésekben, amelyekre a tudomány sokáig nem tudott egzakt, minden gondolkodó által elfogadható választ adni. Leonardo da Vinci a tengerparttól több mint 200 km-re tengeri halak kövületeit találta. A 15. században korrekt válasznak tűnt, hogy a halak az özönvíz idején kerültek ilyen messzire a tengerparttól. Ezt a magyarázatot széles körben elfogadták, annak ellenére, hogy Alhazan, az arab orvostudós már a 11. században azt feltételezte, hogy a halak kövületei a tengerek alján a kőzetek kialakulásakor keletkeztek, s a földmozgások juttatták őket a vizektől távol a szárazföld belsejébe. Hasonló feltételezést a nyugati tudományban csak Nicolaus Steno fogalmazott meg a 17. század második felében. Steno, egy dán orvos dolgozta ki a rétegtan alapjait.

A Biblia megkérdőjelezhetetlen tekintélyének köszönhetően a Föld korát először a Biblia alapján próbálták megállapítani. James Ussher ír érsek az Írásban előforduló generációkat vette sorra, s az első emberpár megjelenésének idejét i. e. 4000-re teszi. Volt nála merészebb ember is. John Lightfoot, a cambridge-i egyetem teológia-professzora 1654-ben kijelentette, hogy a teremtés i. e. 4004. október 26-án délelőtt 9 órakor történt. A pontos időponthoz hibahatárt sem adott meg. A földtudomány ezen az adaton természetesen már rég túllépett. Ennek a becslésnek viszont kultúrtörténeti jelentősége van, a Biblia által leírt történet hosszát adja meg.

A földtudomány születése

Végzettségük szerint jogászok, orvosok foglalkoztak először földtudománnyal. Az ő hobbitevékenységük alapozta meg a geológiát. Egyikük, James Hutton (orvos, 1726-1797) a saját birtokán fedezte fel, hogy a felszíntől lefelé haladva a kőzet réteges szerkezetű. Feltételezte, hogy ezeket a rétegeket a különböző korokban keletkező üledékes kőzetek alkotják, és nyilván a mélyebben lévő réteg keletkezett régebben. Az is feltűnt neki, hogy a rómaiak által Britanniában épített utak mennyire masszívak, a köveken a mállás nyomai sem látszanak. Ő nem akart becslést adni a Föld korára, de azt kijelentette, hogy az minden bizonnyal jóval több, mint néhány ezer év.

Sir Charles Lyell (jogász, 1797-1875) a kontinensen tett utazásai során figyelte meg a földtani formák változatosságát. 1830 és 1833 között írt egy háromkötetes munkát A geológia elvei címmel, ami alapműnek tekinthető a geológiában. Ebben a műben kijelenti, hogy az ismertté vált kövületek alapján nem kizárt, hogy a Föld kora meghaladja a százmillió évet is. Ezen a kijelentésen az egyház természetesen megbotránkozott.

Charles Darwin ismerte Lyell elképzelését a Föld korára vonatkozóan. A Beagle fedélzetén gyakran olvasgatta ezt a művet is. Örült ennek a jóslatnak, hisz a Fajok eredete (1859) című híres könyvében felvázolt evolúciós elmélet azt feltételezi, hogy az élővilág fejlődéséhez igen hosszú időre volt szükség. Két tudományág - a geológia és a biológia - egyetértett a Föld korát illetően. Korrekt bizonyítás nélkül azt mondták, hogy a Föld több mint 100 millió éves. És beleszóltak a vitákba a fizikusok.

Termodinamikai megfontolások

Először a termodinamika felől közelítettek a kérdéshez a fizikusok. Isaac Newton az 1687-ben megjelent Principiában adott egy becslést, amely szerint a Föld izzó állapotából körülbelül 50 ezer év alatt hűlhetett le. Newton főműve a mechanika alaptörvényeiről, a mozgást leíró törvényekről vált ismertté. A Földre alkalmazott termodinamikai modell kevés figyelmet kapott.

Buffon gróf (George-Louis Leclerc, 1707-1788) a problémán való gondolkodáson túl már kísérletet is végzett. Párizs mellett nagy átmérőjű agyag-, illetve vasgömböket hevített, s azok hűlését tanulmányozta. Ezen vizsgálatok után jelentette ki, hogy a Föld kora 75 ezer év.

A Föld kora nyilván kapcsolódik a Naphoz. A Napot a 19. század elején égő széngömbnek vélték, amely sugárzása révén veszíti el energiáját. A napsugárzás teljesítménysűrűsége a Földön 1400 W/m2 (napállandó). Tételezzük fel, hogy ez az intenzitás a jövőben sem csökken. A Nap tömege 2 · 1030 kg, távolsága a Földtől 1,5 · 1011 m, a szén fűtőértéke 30 MJ/kg. Mennyi ideig sütne még a Nap, ha valóban égő szénből állna? Ezzel a kérdéssel 200 éve még komoly tudósok foglalkoztak, ma már egy ügyes középiskolásnak is megoldható feladat. (KöMaL 2002/03, P. 3518.)

Az égő széngömb hipotézise szerint a Nap rendelkezésre álló teljes energiája:

képlet

lenne. A napsugárzás intenzitását a Nap-Föld távolsággal egyenlő sugarú gömb felszínével megszorozva megkapjuk a jelenlegi (T0 = 6000 K hőmérsékletű) Nap teljes sugárzási teljesítményveszteségét:

képlet

A teljes energia kisugárzásához szükséges idő:

képlet

Ha elhanyagoljuk a már kiégett, de még forró (izzásban lévő) parázs kihűléséhez szükséges időt, akkor csupán ilyen rövid ideig, nem egészen ötezer évig "sütne" a Nap.

Ehhez közeli szám szerepel Madách drámájában, Az ember tragédiája (1860) 13. színében (Lucifer):

"S feledted-é már a tudós szavát,
Ki felszámolta, hogy négy ezredévre
Világod megfagy - a küzdés eláll?"

A Napot egy 6000 K hőmérsékletű, homogén izzó gázgömbnek is tekinthetjük, amely H2 molekulákból áll és a hősugárzás során lassan hűl. Most ismét felhasználjuk, hogy a napsugárzás intenzitása a Földünk távolságában jelenleg 1400 W/m2. Becsüljük meg, mennyi idő múlva sötétülne el a Nap, vagyis csökkenne a hőmérséklete körülbelül 1000 K-re? (KöMaL 2002/04, P. 3529.)

A Nap sugárzásának jelenlegi teljesítménye ismét:

képlet

Ha az m tömegű Napot T hőmérsékletű hidrogéngáznak tekintjük, és belső energiáját az ideális gázokra érvényes E = cV · m · T képletből számítjuk, valamint a fajhőt a földi hőmérsékleten érvényes cV = 104 J/kg · K értékkel közelítjük:

képlet

Ha a sugárzás erőssége nem csökkenne, akkor a ΔT = 5000 K hőmérséklet-változáshoz szükséges idő a P ·  Δt = K ·  ΔT alapján:

képlet

Ez a meglepően kicsiny érték a meglehetősen durva közelítésnek köszönhető. Vegyük figyelembe a teljesítmény hőmérsékletfüggését!

Amennyiben a Nap hőmérséklete csökken, akkor a Stefan-Boltzmann sugárzási törvénynek megfelelően csökken a teljesítménye is:

képlet

A hűlés időtartamának meghatározásához integrálszámítást kell használnunk:

képlet

A t értéke T1 = 1000 K-nél körülbelül 700 000 év.

Ez azt jelenti, hogy ha a Nap az izzó gázgömb energiáját sugározná ki, akkor még 700 ezer évig sütne.

A T1 → ∞ határérték képzésével azt az időtartamot is megkaphatjuk, ami alatt a tetszőleges nagy hőmérsékletű Nap a jelenlegi T0 = 6000 K hőmérsékletűre hűl. A megdöbbentő

képlet

érték kevesebb, mint 4 ezer év. Tehát ezen modell szerint a Nap kora kevesebb mint 4 ezer év. Ez alapján az ószövetségi történet közben keletkezett volna a Napunk. Ez nyilván ellentmond a tapasztalatnak.

Lord Kelvin (William Thomson, 1824-1907) a 19. század nagy brit fizikusa más oldalról közelítette meg ezt a kérdést. Szerinte a Nap által kibocsátott energia a gravitációs összehúzódásból ered. A csillag teljes energiája megegyezik az őt alkotó részecskék Ebelső kinetikus energiájának összegével, valamint a részecskék Epot gravitációs potenciális energiáinak összegével: E = Ebelső + Epot. A viriál-tétel értelmében egy zárt rendszer kinetikus energiája a gravitációs potenciális energia nagyságának felével egyenlő. Vegyük figyelembe még azt is, hogy a Napot alkotó gáz adiabatikus állapotváltozást szenved. Így a teljes energiájára a következő adódik:

képlet

Amennyiben a gázgömb összehúzódik, a teljes energiája csökken. A Nap teljes energiájának a megváltozása biztosítja a Nap energiatermelését:

képlet

ahonnan

képlet

következik. A Nap adatait behelyettesítve:

képlet

A fenti egyenletet átrendezve, valamint a Nap teljes sugarára integrálva megkapjuk azt az időtartamot, amennyi alatt a Nap elsötétül:

képlet

Tehát, ha a Nap a gravitációs összehúzódásból nyerné energiáját, akkor a jelenlegi sugárzás mellett 25 millió év alatt sötétülne el. Lord Kelvinnek és a fizika egzaktságának olyan nagy tekintélye volt, hogy 1860- ban Darwin visszavonta a Fajok eredetében írt feltételezést, hisz szerinte a földi élet evolúciójához több mint 100 millió évre volt szükség.

Thomas C. Chamberlin (amerikai geológus, 1843- 1928) 1899-ben fogalmazta meg: "Ha a fizika a Föld korára ilyen rövid időt ad meg, akkor a fizikának nincs igaza."

Megoldás: radioaktív kormeghatározás

A geológusok és a fizikusok időskálája közötti nagy különbségnek a radioaktivitás felfedezése vetett véget. Henri Becquerel (1852-1908) francia fizikus uránnal végzett kísérletei során 1896-ban felfedezte a radioaktivitást. Marie és Pierre Curie 1903-ban kimutatta, hogy a radioaktivitás exoterm, azaz hőfelszabadulással járó folyamat. Az α-bomlás során keletkező He a kőzet megszilárdulásakor fogságba kerül. Ernest Rutherford ezt felismerte, és a kőzetbe zárt hélium mennyisége alapján ásványok és kőzetek korát határozta meg (500 millió év). Ugyanebben az évben Bertram Boltwood megállapította, hogy az urán radioaktív bomlásának stabil végterméke az ólom. Ez alapján a kőzetek korára 410-535 millió évet kapott. Az első geológiai korskálát Arthur Holmes 1913-ban állította össze (ebben az évben született Erdős Pál), amelyben a legidősebb kőzet 1600 millió éves. Mai tudásunk szerint a legpontosabb radioaktív kormeghatározás izotóparányok vizsgálatával történik.

A Föld korának meghatározása izotóparányokból

Tételezzük fel, hogy a Föld keletkezésekor a 238U és a 235U izotópok jelen voltak, bomlástermékeik viszont hiányoztak. A 238U és a 235U bomlását használjuk fel a Föld T életkorának meghatározásához.

A 238U izotóp felezési ideje 4,5 · 109 év. A bomlástermékek felezési ideje ehhez képest olyan rövidnek tekinthető, hogy létezésüket első közelítésben elhanyagolhatjuk. A bomlási sorozat a stabil 206Pb izotópban végződik. A 235U izotóp 0,71 · 109 év felezési idővel rövid felezési idejű bomlástermékeken keresztül stabil 207Pb izotópot eredményez.

A Föld korának jelenlegi legjobb közelítését a Patterson-féle (1956) meteoritmódszer szolgáltatja. Patterson azt feltételezi, hogy a meteoritok a Földdel azonos ősanyagból egyidejűleg képződtek, majd a képződés után elszakadtak. Ezen meteoritok jelenlegi ólomizotóp összetétele nyilvánvalóan két tényezőtől függ: egyrészt a keletkezésük pillanatában már meglévő ősólom-összetételüktől, másrészt a keletkezésük pillanatában meglévő U és Th mennyiségétől, hisz ezek is ólomizotópokat termelnek. Válasszunk ki olyan meteoritot, amelyben nincs, vagy elhanyagolhatóan kevés az U és a Th. Ez a meteorit az ősólom-izotóp összetételét őrzi.

1. ábra

Uránércet tömegspektrométerrel vizsgáltak. A 204Pb, 206Pb és 207Pb izotóp relatív koncentrációjának mérése az adott atomok számának következő arányát eredményezte: 1,00 : 29,6 : 22,6. A 204Pb izotópot használtuk referenciaként, mivel ez az izotóp nem radioaktív eredetű. Az uránmentes meteorit (tiszta ólomérc) vizsgálata a következő arányokat eredményezte: 1,00 : 17,9 : 15,5.

A bomlási törvény szerint a kezdetben N0 darab U izotópból t idő múlva keletkező 206Pb száma:

képlet

ahol 238N a jelenlegi U izotópok számát jelöli. Az előzőekhez hasonlóan 235U izotópból t idő múlva keletkező 207Pb száma:

képlet

Az urán-ólom keverékben (ahol a radioaktív bomlások során folyamatosan keletkeznek ólomatomok), a különböző tömegszámú ólomizotópok számának aránya:

képlet

A tiszta ólomban a megfelelő arányok:

képlet

A fenti arányszámok különbségét képezve látható, hogy a radioaktív bomlásokból származó ólomizotópok aránya:

képlet

Az (1) és (2) egyenlőségek hányadosát képezve:

képlet

Helyettesítsük be a radioaktív bomlásokból származó ólomizotópok arányát, valamint a 238N : 235N jelenlegi 137 : 1 értékét!

A Föld T életkorára a következő egyenletet kapjuk:

képlet

Vagyis

képlet

Feltételezve, hogy T >> 4,5 · 109 év, a fenti formulában a zárójelekben az 1-eseket elhanyagolhatjuk, s T-t milliárd években könnyen kifejezhetjük:

képlet

Láthatjuk, hogy ez a közelítő érték nem sokkal nagyobb, mint a hosszabb felezési idő. Tehát a kiszámítása során alkalmazott elhanyagolás nem volt jogos! Viszont felhasználható egy pontosabb T érték meghatározására. Jelöljük a Föld életkorára durva közelítésben kapott 5,38 milliárd évet T*-gal, s az eredeti egyenlet helyett tekintsük a

képlet

egyenletet. Ez zárt alakban megoldható, így T-re 4,80 · 109 év adódik. Ha ezen értéket írjuk T* helyébe, T-re még jobb közelítést, 4,62 · 109 évet kapunk. Ezt a (fokozatosan közelítő) eljárást tovább folytatva az eredmények 4,52 · 109 évhez konvergálnak.

Ezt a sok, kényelmetlen számolást szívesen elvégzi helyettünk a számítógép. A Mathematica program segítségével pillanatok alatt megkapjuk a fenti exponenciális egyenlet megoldását például 5 tizedesjegy pontossággal.

Megadjuk az egyenlet megoldására vonatkozó utasítást ...
FindRoot[0.012 (-1+2^(T/0.71))=-1+2^(T/4.5),{T,5}]
... és pillanatok alatt megkapjuk az eredményt:
{T=4.56178}.
A grafikus megoldással (Excel) is kaphatunk egy közelítő megoldást (1. ábra).

(Az imént tárgyalt probléma a XXXI. Fizikai Diákolimpia [Leicester, 2000] egyik feladataként szerepelt.)

<>

A Föld koráról vallott elképzelések igen érdekesen változtak az elmúlt szűk 400 évben. A naivitás és a feltétlen tekintélytisztelet szülte a bibliai alig 6000 éves kort. A geológia és a biológia igényelt volna 100 millió évet, csak igazolni nem tudta. A radioaktivitás ismerete adott lehetőséget a ma helyesnek gondolt 4,5 milliárd éves életkor meghatározására.

Irodalom

  1. Marx Gy.: Atommag-közelben. Mozaik Kiadó, Szeged, 1996.
  2. Marik M.: Csillagászat. Akadémiai Kiadó, Budapest, 1989.
  3. Mészáros E.: A Geológiai idő és a Földtudományok fejlődése. Ezredforduló 2003/3.
  4. KöMaL 2000/08.
  5. KöMaL 2002/03.
  6. KöMaL 2002/04.

______________

1 A pécsi Leőwey Klára Gimnáziumban 2008. november 6-án, a Magyar Tudomány Napján tartott előadás írott változata