地球は何歳ですか？

近代以前のヨーロッパ人のほとんどは、地球の年齢はわずか数千年だと信じていました。初期の地質学者は地層や岩石を観察し、地球はもっと古く、おそらく無限に長いのではないかと結論付けました。しかし、物理学者たちはすぐに別の推定値を示しました。地球の年齢は数千万年程度であるはずだというものでした。

物理学者はさまざまな方法を使ってこの数値を推定しているため、この数値はかなり信頼できると思われます。当初、彼らの焦点は地球ではなく太陽にありました。なぜなら、太陽がなければ地球は現在の形で存在できないからです。ウィリアム・トムソン（後のケルビン卿）は、太陽の熱は純粋な化学反応や太陽の自転だけでは生じ得ず、唯一残された説明は宇宙の隕石であると信じていました。流星体は地球に落下するときに膨大な量のエネルギーを放出し、太陽に落下するときにはさらに多くのエネルギーを放出します。ケルビンは、このエネルギーが太陽の輝きと熱の放出を可能にし、太陽の近くにある流星体の総量が太陽の寿命の上限を決定すると信じていました。

ケルビンの最初の推定は 30 万年でしたが、それはどう考えても短すぎました。しかしすぐに別の物理学者が訂正を提唱した。太陽自体も縮小している可能性があり、その縮小の過程でもエネルギーが放出される。これは落下する流星がエネルギーを放出する過程と同等である。数回の改訂を経て、太陽の推定年齢の上限は3200万年となりました。

一方、ケルビンは、地球はかつて非常に高温であったが、その熱は時間の経過とともに消散したと信じていました。当時、地球の内部は表面よりも高温であり、深く行くほど高温になることが発見されていました。ケルビンは地球の中心核が固体であるはずだと証明した。これは、核の温度が摂氏4000度を超えないことを意味すると彼は信じていた。彼はこの値に基づいて熱放散を推測し、地球の年齢は9000万年を超えないだろうと考えました。他の物理学者はより正確な公式を使用してこの値を 2400 万年に修正しましたが、これは太陽の年齢の上限とほとんど変わりません。

3200万年にしても2400万年にしても、長い時間のように思えますが、各地層に割り当てられている時間は非常に短いのです。これは地質学者に大きな苦悩をもたらしたが、彼らは物理学者の結論を反駁する方法を見つけることができなかった。生物学者もこれに悩まされました。当時、ダーウィンの進化論が誕生したばかりでした。ダーウィンが提唱した自然選択は、一般的に非常にゆっくりとしたプロセスでした。何千万年も本当に十分なのでしょうか？このため、一部の生物学者は、進化はダーウィンが考えていたよりも方向性があり、速いのではないかと推測している。

幸いなことに、物理学者によるこれらの推定は完全に間違っていました。なぜなら、19世紀の終わりに人類は放射能を発見したからです。ラジウム 1 個が 1 時間あたりに放出する熱は、同じ質量の氷を溶かすのに十分です。この新しいエネルギー源は、太陽がこれまで考えられていたよりもはるかに多くの熱を生成することを意味し、地球は単に熱を放散する状態から、熱を放散することも熱を生成することもできる状態に変化しました。以前の見積もりで与えられた制限はすべてなくなりました。

太陽問題を最初に解決したのは天文学者のエディントンでした。彼は核融合が発見されるずっと前から太陽のエネルギー源を非常に正確に予測していました。彼の予測は以下の事実に基づいています。

まず、太陽には大量のヘリウム原子が存在することが知られています。実際、ヘリウムは最初に太陽スペクトルで発見され、その後地球上で発見されました。

第二に、水素原子は最も小さい原子です。ヘリウム原子の質量は水素原子の約 4 倍であるように見えますが、注意深く測定すると、ヘリウム原子の質量は水素原子 4 個よりわずかに小さく、0.8 千分の 1 小さいことがわかります。

第三に、アインシュタインの質量エネルギー変換式は、少量の質量が膨大な量のエネルギーに相当することを示しています。

これらの点を踏まえて、エディントンは太陽が継続的に特定の反応を起こし、4つの水素を1つのヘリウムに変換し、残りの質量の8/1000が光と熱に変換されて放出されていると推測しました。さらに、ヘリウム原子は他の原子に凝集し続ける可能性があります。彼の推論はその後の数十年間でほぼすべて確認された。

太陽の寿命を上限とすることなく、ようやく地球自体の年齢を安心して測定できるようになります。放射能が再び救いの手を差し伸べる。物理学者は放射性原子の崩壊率が安定していることを発見した。例えば、ウラン238の原子の数は45億年ごとに半分に減り、最終的には鉛206に変わります。多くの岩石や鉱物は一度形成されると、外部からウランや鉛が侵入することは困難です。鉱物内部のウラン238と鉛206の比率を測定することで、鉱物が誕生してからどれくらいの時間が経過したかを知ることができます。

残された唯一の問題は、最も古い鉱物を見つけることだった。地球が最初に形成されたとき、それは熱いマグマの塊でした。たとえ元の鉱物が形成されたとしても、それらはずっと以前に再溶融しているはずです。発見されている最も古いものは、わずか約 42 億年前のものです。しかし天文学の理論によれば、太陽、地球、そして太陽系の他の天体はほぼ同時期に形成され、より小さな天体はより速く冷えたため、より古い鉱物が生き残ることができたと考えられている。研究者たちは隕石と月の岩石の年代を測定し、最終的に地球の年齢は約45億年であると判定した。

物理学者たちが地球の年齢について最初に下した推論自体は極めて合理的で反論しにくいものだったが、それまでの結論をすべて覆す、まったく未発見の新たなエネルギー源が存在したため、その推論は大きく間違っていたことが判明した。この現象は科学の世界では一般的ではありませんが、時々起こります。既存の理論すべてで現象を説明できない場合は、まったく新しい理論が必要になることがあります。もちろん、既存の理論が適切である場合、完全に新しい理論を見つけるのは困難です。