t f p g+ YouTube icon

Come vengono calcolate le età della Terra e dell’universo?

Image for: Come vengono calcolate le età della Terra e dell’universo?

In Breve

Molte misurazioni fra loro indipendenti hanno stabilito che la Terra e l’universo hanno miliardi di anni. I geologi hanno trovano degli strati di formazione annuale, nei ghiacciai, che possono essere contati a ritroso fino a 740.000 anni fa. Grazie alla conoscenza del processo di decadimento degli elementi radioattivi (datazione radiometrica), alcune rocce della Terra sono risultate avere miliardi di anni, mentre i materiali rocciosi più vecchi del sistema solare sono datati circa 4,6 miliardi di anni. Gli astronomi sfruttano la distanza delle galassie e la velocità della luce per calcolare quanti miliardi di anni la luce ha impiegato, partendo da tali galassie, per arrivare fino a noi. L’espansione dell’universo fornisce una età globale dell’universo: 13,7 miliardi di anni.

In Dettaglio

Introduzione

Gli astronomi e i geologi hanno dimostrato che l’universo e la Terra hanno miliardi di anni. Questa conclusione non è basata su una singola misurazione o un singolo calcolo, ma su molteplici evidenze. Qui descriveremo solo due tipi di evidenze che implicano una Terra vecchia e due tipi di evidenze per un universo vecchio; altre evidenze possono essere lette negli approfondimenti. Questi metodi di cui parleremo sono largamente indipendenti gli uni dagli altri e sono basati su osservazioni e argomentazioni fra loro separate, ma tutti portano a dedurre una storia ben più lunga di 10.000 anni. Come cristiani, noi crediamo che Dio abbia creato il mondo e che il mondo testimoni la Sua gloria, per cui non possiamo ignorare che cosa la natura ci sta dicendo riguardo alla sua propria storia.

Età della Terra dedotta dagli anelli di accrescimento e dagli strati stagionali

Se ci è capitato di vedere una sezione orizzontale di un tronco di albero, avremo senz’altro notato che un albero forma un nuovo anello di accrescimento ogni anno. In anni di siccità l’albero cresce meno rapidamente, per cui l’anello è più sottile; se invece la stagione di crescita è ottimale, l’anello è più spesso. L’età di un albero può pertanto essere calcolata contando semplicemente i suoi anelli di accrescimento. Confrontando la sequenza di anelli spessi e sottili con le registrazioni degli avvenimenti climatici, gli scienziati possono verificare in ogni momento che il metodo è accurato. Questo metodo può perfino essere usato su alberi morti, caduti molto tempo fa. Per esempio, gli ultimi 200 anelli di un albero morto potrebbero essere del tutto simili ai 200 anelli iniziali di un albero vivo, così che i due alberi insieme possono fornirci un conteggio a ritroso nel tempo di molti anni. In questo modo, analizzando più alberi, si può ricostruire la cronologia di una intera foresta.

Gli strati annuali dei ghiacciai ci forniscono un metodo simile che va molto di più a ritroso nel tempo. Ogni anno le nevicate variano a seconda delle stagioni dell’anno stesso e si forma così uno strato annuale. Come gli anelli di accrescimento degli alberi, questo metodo può essere verificato comparando i risultati con le registrazioni storiche dei fenomeni climatici e con le registrazioni delle eruzioni vulcaniche verificatesi in tutto il globo, le quali hanno lasciato dei sottili strati di polvere vulcanica sui ghiacciai. Gli scienziati hanno effettuato dei profondi carotaggi nei ghiacciai e hanno trovato degli strati di ghiaccio di 123.000 anni in Groenlandia e di 740.000 anni in Antartide. Questi strati annuali sono ben più vecchi dei 10.000 anni sostenuti dai creazionisti della Terra giovane. Fino a qui possiamo affermare che la Terra deve avere come minimo 740.000 anni.

Età della Terra e del sistema solare misurate con la datazione radiometrica

Nelle aule di scienze delle scuole superiori si vede spesso, appeso al muro, un grande poster con la tavola periodica degli elementi. La tavola periodica mostra i tipi di atomi che costituiscono il mondo che ci circonda. Un elemento della tavola periodica può esistere in differenti forme chiamate isotopi. Alcuni isotopi sono instabili e nel corso del tempo “decadono” in isotopi di altri elementi. Per esempio, il Potassio-40 è instabile e decade nell’Argon-40. Man mano che passa il tempo, una roccia avrà sempre più Argon-40 e sempre meno Potassio-40. La datazione radiometrica è resa possibile dal fatto che il decadimento avviene ad un ritmo noto, chiamato “emivita” dell’elemento radioattivo. L’emivita è il tempo impiegato, da metà degli atomi del campione radioattivo in esame, per mutare da un elemento ad un altro.

Alcuni isotopi hanno una emivita di minuti o di anni, ma il Potassio-40 ha una emivita di 1,3 miliardi di anni. Il metodo della datazione radiometrica ha bisogno che sia nota, in qualche modo, la proporzione iniziale dei due elementi in un dato campione. In questo caso, l’Argon-40 è un gas che fuoriesce e si volatilizza facilmente quando è prodotto nella roccia fusa. Quando la roccia si solidifica, invece, tutto l’Argon-40 rimane intrappolato nel campione, dandoci una accurata misura di quanto Potassio-40 è decaduto dal momento della solidificazione della roccia. Per cui, se troviamo una roccia con la medesima quantità di Potassio-40 e di Argon-40, sappiamo che metà del Potassio-40 è decaduto in Argon-40 e che quindi la roccia si è solidificata 1,3 miliardi di anni fa. E’ difficile trovare sulla superficie terrestre delle rocce che non siano state alterate nel corso del tempo. La maggior parte delle rocce antiche sono state erose dal vento e dall’acqua o sono state sommerse dalle placche continentali in movimento. La più antica, affidabile, datazione di una formazione rocciosa è stata fatta in Groenlandia, dove svariati isotopi sono stati usati per dedurre una età di 3,6 miliardi di anni. Nell’Australia Occidentale gli scienziati hanno anche datato dei grani di zircone (che resistono all’erosione) aventi 4,4 miliardi di anni. Per trovare delle rocce più vecchie, che non siano state erose, dobbiamo cercare al di fuori della Terra. Le meteoriti sono rocce del sistema solare che sono cadute sulla Terra in epoche recenti e non hanno subito molta erosione. I loro interni incontaminati forniscono una età corrispondente al momento della loro formazione, che è avvenuta all’inizio del sistema solare. Quasi tutte le meteoriti hanno la stessa età radiometrica: 4,56 miliardi di anni. Perciò il sistema solare, Terra inclusa, ha circa 4.560.000.000 anni.

Età di una galassia misurata tramite la durata del viaggio effettuato dalla luce

Cosa dire dell’età delle stelle, delle galassie e dell’intero universo? Un modo di misurare tali età è per mezzo della durata del viaggio fatto dalla luce. La luce viaggia incredibilmente veloce – 300.000 chilometri al secondo, o 186.000 miglia al secondo. Sulla Terra, il ritardo corrispondente al viaggio che deve fare la luce è pari ad una piccolissima frazione di secondo. Ma nello spazio le distanze sono così grandi che la luce impiega un lasso di tempo sostanziale per arrivare fino a noi: 8,3 minuti dal Sole, 4,3 anni dalla stella più vicina e circa 8.500 anni dal centro della galassia Via Lattea. Un tale ritardo significa che non stiamo vedendo quegli oggetti come sono in questo momento, ma come erano quando la luce è da loro partita. L’universo funziona un po’ come una “macchina del tempo”, con la quale possiamo vedere nel passato semplicemente guardando lontano.

Il calcolo della durata del viaggio fatto dalla luce è semplice se conosciamo la velocità della luce e abbiamo a disposizione la misura della distanza. La velocità della luce è ben nota, grazie agli esperimenti condotti sulla Terra, e molte osservazioni astronomiche confermano che la velocità della luce non è cambiata nel corso della storia dell’universo. Ma misurare le distanze astronomiche non è banale – non si può certo usare un metro a nastro da qui al centro della galassia! Gli astronomi usano molti metodi fra loro complementari per determinare le distanze, come i calcoli geometrici e le misure di luminosità. Ad esempio, se alcune galassie sembrano molto più piccole e meno luminose di altre galassie dello stesso tipo, si deduce che sono in realtà molto più lontane.

La galassia di Andromeda, uno dei vicini della nostra galassia Via Lattea, dista 2,3 milioni di anni luce. Ovvero, la stiamo vedendo come era 2,3 milioni di anni fa. Nelle ultime decine di anni gli astronomi hanno trovato galassie situate a molti miliardi di anni luce di distanza. Se la luce ha viaggiato miliardi di anni per arrivare a noi, allora l’universo è almeno altrettanto vecchio. Questa considerazione è completamente indipendente dalla datazione radiometrica del sistema solare, ma entrambi i metodi portano ad una età di miliardi di anni, non di migliaia di anni.

Età dell’universo dedotta dalla misurazione della sua espansione

Non solo gli astronomi possono misurare le distanze delle galassie: possono anche misurare come le galassie si stanno muovendo. Le galassie non rimangono ferme nello spazio e nemmeno si stanno muovendo in modo casuale. Alcune galassie si stanno muovendo verso le proprie vicine, mutualmente attratte dalle rispettive forze di gravità. Ma lo schema generale mostra delle galassie che si allontanano le une dalle altre. Questo moto di allontanamento non ha una velocità uniforme e costante per tutte le galassie; al contrario, segue uno schema secondo il quale le galassie che sono più distanti si muovono anche più velocemente.

Un tale schema globale indica che l’intero universo è in espansione. Per capire perché, consideriamo una pagnotta cruda di pane all’uvetta. Gli acini di uvetta rappresentano le galassie e l’impasto rappresenta lo spazio dell’universo. Mentre l’impasto lievita si porta dietro gli acini di uvetta, facendoli allontanare gli uni dagli altri. Gli acini che all’inizio si trovavano su due lati opposti della pagnotta si troveranno, alla fine della lievitazione, qualche centimetro più distanti. Invece, gli acini che all’inizio erano vicini gli uni agli altri si saranno ulteriormente allontanati fra loro magari solo di mezzo centimetro. Per cui la velocità del loro moto di allontanamento è proporzionale alla separazione esistente fra di loro. Analogamente, lo spazio dell’universo fa allontanare le galassie, mentre l’universo stesso si espande.

Gli astronomi valutano il moto di una galassia analizzando il suo spettro luminoso. Se una galassia viene portata via dall’espansione dello spazio, le sue onde luminose vengono allungate, facendola sembrare più rossa. Il cambiamento del colore di una galassia è chiamato “spostamento verso il rosso”, o “red-shift” in inglese, e può essere usato per calcolare la velocità della galassia stessa. Dalle misurazioni effettuate su molte galassie, gli astronomi possono misurare accuratamente la velocità di espansione globale dell’universo.

L’età dell’universo può essere determinata immaginando come appariva l’universo nel passato, “riavvolgendo”, per così dire, il moto di espansione. In passato le galassie devono essere state più vicine le une alle altre e in un passato remoto devono essersi trovate compattate in un unico punto. Se assumiamo che l’espansione sia costante nel tempo, l’età dell’intero universo risulta di circa 10 miliardi di anni. Però gli astronomi hanno lavorato negli ultimi 20 anni per capire quanto la velocità dell’espansione cambi nel tempo. Adesso sappiamo che nell’universo primordiale l’espansione stava diminuendo, ma che ora sta accelerando. Grazie a misurazioni accurate di questi cambiamenti della velocità di espansione, l’età dell’universo adesso è nota in modo relativamente preciso ed è pari a 13,7±0,13 miliardi di anni.

Conclusioni

Molte differenti e complementari misurazioni scientifiche hanno stabilito, in modo praticamente certo, che l’universo e la Terra hanno miliardi di anni. Gli strati dei ghiacciai mostrano una storia ben più lunga di 10.000 anni e la datazione radiometrica stabilisce che la formazione della Terra è avvenuta circa 4,6 miliardi di anni fa. La luce proveniente dalle galassie arriva a noi miliardi di anni dopo essere partita e il tasso di espansione dell’universo fornisce una datazione dell’universo stesso pari a 13,7 miliardi di anni. Queste citate sono solo alcune delle evidenze che indicano una non indifferente età della Terra e dell’universo.

Further Reading

Recommended External Resources

  • Feuerbacher, Bjorn “Determining Distances to Astronomical Objects” Talk Origins 2003. Includes scientific responses to various young earth arguments against astronomical age; unlike many articles on Talk Origins, this article does not attack religion. (Web article)
  • Fraknoi, Andrew, Greenstein, George, Partridge, Bruce, and Percy, John. “An Ancient Universe: How Astronomers Know the Vast Scale of Cosmic Time”, American Astronomical Society and the Astronomical Society of the Pacific, 2004. Published by two societies of professional astronomers, this accessible article is respectful of religion and the religious views of many scientists. (PDF)
  • Ross, Hugh. “A Beginner’s and Expert’s Guide to the Big Bang” Reasons to Believe, 2000. While BioLogos and Reasons to Believe have differing views on some key issues, we share many beliefs and goals. This thoroughly-referenced article from a Christian PhD astronomer is a valuable resource on evidence for the Big Bang, although some of the details are out of date. (web article)
  • White, Bob. “The Age of the Earth.”  Faraday Papers, no. 8, 2007. A Christian geologist at Cambridge University gives a brief review of scientific evidence as well as historical and theological perspectives. (PDF).
  • Wiens, Roger C. 2002. Radiometric Dating: A Christian Perspective. This is a detailed but still highly readable account of radiometric dating, written by a well-qualified physicist who is also a professing Christian. (web article) (PDF)
  • Wolgemuth, Ken and Davidson, Gregg. Solid Rock Lectures: Earth as God’s Creation. These Christian geologists frequently speak in churches on geologic evidence for age. (website)
  • WMAP Science Team “Cosmology: The Study of the Unvierse” NASA’s Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, last modified June 6, 2011. This primer explains the basics of cosmology as well as the latest discoveries, many from the WMAP telescope (PDF)
  • Young, Davis A. and Stearley, Ralph. The Bible, Rocks, and Time: Geological Evidence for the Age of the Earth. Downers Grove, IL: InterVarsity Press, 2008. Two professors of geology give a comprehensive review of geologic evidence for age and respond to young earth arguments. (Book info)
  • Young, Davis A. ”How Old Is It? How Do We Know? A Review of Dating Methods – Part One: Relative Dating, Absolute Dating, and Non-radiometric Dating” Perspectives on Science and Christian Faith, Vol 58 No 4, p.259-265, December 2006. (PDF)
  • Young, Davis A. ”How Old Is It? How Do We Know? A Review of Dating Methods—Part Two: Radiometric Dating: Mineral, Isochron and Concordia Methods” Perspectives on Science and Christian Faith, Vol 59, No 1, p.28-36, March 2007. (PDF)
  • Young, Davis A. ”How Old Is It? How Do We Know? A Review of Dating Methods — Part Three: Thermochronometry, Cosmogenic Isotopes, and Theological Implications” Perspectives on Science and Christian Faith, Vol 59, No 2, p.136-142, June 2007. (PDF)

Notes

  1. Davis A. Young, ”How Old Is It? How Do We Know? A Review of Dating Methods – Part One: Relative Dating, Absolute Dating, and Non-radiometric Dating” Perspectives on Science and Christian Faith, Vol 58 No 4 (2006), p. 264. (PDF)
  2. Roger C. Weins, "Radiometric Dating: A Christian Perspective", The American Scientific Affiliation (2002). See also North Greenland Ice Core Project Members, “High-resolution Record of Northern Hemisphere Climate Extending into the Last Interglacial Period,” Nature 431 (2004): 147–151, which reports ages back to 123,000 years. (web article)
  3. EPICA Community Members, “Eight Glacial Cycles from an Antarctic Ice Core,” Nature 429 (2004): 623–628.
  4. Young earth creationists reject radiometric dating methods, including claims that decay rates are not constant. For a critical review, see Randall Isaac “Assessing the RATE Project”, Perspectives on Science and Christian Faith, vol 59, no 2, June 2007, p.143-146. (PDF)
  5. See Wiens and references therein. (web article)
  6. Wilde et al. “Evidence from detrital zircons for the existence of continental crust and oceans on the earth 4.4 Gyr ago,” Nature (2001) 409, 175-178.
  7. See Davis A Young, ”How Old Is It? How Do We Know? A Review of Dating Methods—Part Two: Radiometric Dating: Mineral, Isochron and Concordia Methods” Perspectives on Science and Christian Faith, Vol 59, No 1 (2007) and references therein (PDF)
  8. See Bjorn Feuerbacher, “Determining Distances to Astronomical Objects” Talk Origins (2003) for an overview of distance measurement methods and links to primary literature. He also rebuts young earth arguments, such as that the speed of light has changed over time. (Web article)
  9. See WMAP Science Team “Cosmology: The Study of the Universe” NASA’s Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (2011) for the latest values and more information on how this calculation is made. (PDF)

Il traduttore (About the Translator)

Corrado Ghinamo vive a Boves, Italia. Laureato al Politecnico di Torino, è dottore in ingegneria elettronica. Lavora per una ditta internazionale, in qualità di responsabile dello sviluppo organizzativo. La sua passione per la fisica, per l’astronomia e per le scienze naturali, insieme alla sua fede cristiana, lo hanno portato a scrivere e pubblicare alcuni libri in Italia. Il suo nuovo libro su scienza e fede, The Beautiful Scientist, già pubblicato in Italia con il nome “Il Creatore”, sarà pubblicato negli Stati Uniti all’inizio del 2013.

Corrado Ghinamo lives in Boves, Italy. He received a doctor’s degree in electronic engineering from the Polytechnic University of Turin. He works for an international company as the organizational development manager. His passion for physics, astronomy and natural sciences, together with his Christian faith, led him to become a published author in Italy. His new book about science and faith—The Beautiful Scientist—will be published also in the USA, at the beginning of 2013.