科学者は化石の年代と地球の年齢をどうやって知るのでしょうか?革命的な発明のおかげで

古代の化石の年代を客観的に特定するための物理的および化学的手法が使用される前は、地質学者や考古学者は主に経験と状況証拠に頼って古代の遺物の年代を判定していたため、大きな誤差が生じていました。

1940年、アメリカの科学者マーティン・カーマンと彼の同僚サム・ルービンは炭素14を発見しました。 1947年、シカゴ大学のウィラード・リビーは炭素14年代測定法の発明によりノーベル化学賞を受賞しました。それ以来、考古学、地質学、水文学における年代測定という厄介な問題は革命的な進歩を遂げました。

炭素14はどのようにして物体の年齢を決定するのでしょうか?炭素（元素記号 C）は、炭素原子核に 6 個の陽子があるため、周期表の 6 番目の元素です。しかし、炭素には炭素 12、炭素 13、炭素 14 (C-12、C-13、C-14 と略記) という 3 つの一般的な同位体が存在します。原子核内の陽子の数はどちらも同じですが、中性子の数はそれぞれ 6、7、8 です。

これら 3 つの炭素同位体のうち、C-12 と炭素 C-13 は安定同位体であり、何年経ってもそこに残ります。一方、C-14 は放射性元素であるため不安定であり、半減期は 5730 年で他の物質に崩壊します。つまり、5730年後には、C-14の半分が窒素-14に崩壊することになります。

これにより、物質が存在した年数を計算する方法が提供されます。物質中にどれだけの C-14 が残っているかを測定することで、その物質が何年存在してきたかを大まかに知ることができます。

これには前提条件、つまり C-14 の量が固定されている必要があります。そうでなければ、神であっても何年も経った後にどれだけ残っているかを知ることはできません。また、含有量がわかっていても、それが何年存在していたかを計算することはできません。地球上では、炭素の天然同位体は通常、安定した値で存在しています。つまり、約 99% が C-12、1% が C-13、そしてわずか 1 兆分の 1 が C-14 です。

この C-14 の 1 兆分の 1 と、その C-12 および C-13 に対する比率は、科学者が特定の物質の年齢を計算するための重要な基礎となっています。たとえば、植物や動物は生きているときに炭素を吸収します。たとえば、人間は呼吸や食物摂取を通じて炭素を摂取します。これらの炭素元素は体内に蓄積され、その割合は基本的に一定です。しかし、生物が死ぬと、これらの元素は摂取・吸収されなくなるため、C-12とC-13は体内に固定され、C-14は崩壊して減少し始めます。

科学者は、発掘または発見された古代生物の遺骸や骨からサンプルを採取し、機器による検査を通じて炭素含有量を計算します。彼らは C-14 と C-12、C-13 の比率を取得し、生物学的遺物の年代を推測します。たとえば、内部の C-14 が本来の半分しかない場合、古代の化石の年代は 5,730 年になります。

しかし、C-14 年代測定法には一定の誤差があります。これは、C-14 自体の半減期に±40 年の誤差があり、歴史的時代や火山の噴火などの特別な環境変化によって C-14 含有量が変動するからです。したがって、C-14 年代測定法を使用する場合は、他の参照オブジェクトも同時に使用されます。例えば、樹木の年輪や鍾乳石の輪に含まれるC-14を検出して得られた値が基準として使用され、より正確になります。

海外メディアの報道によると、国際科学チームが炭素14年代測定の大規模な較正を実施した。 7年間にわたる研究では、世界中から集められた15,000個のサンプルを使用して、55,000年前の物体の年代をより正確に判定できる新しい、より正確な較正曲線を作成した。

そのため、C-14 測定法が登場した後は、文化財市場が少数の上級専門家の経験だけに頼っていた過去の経験だけに頼っていたものよりもはるかに優れたものになりました。これは、多くの主観的および推測的な誤りを回避する客観的な基準です。しかし、物体中の C-14 の含有量は極めて少ないため、物体が古いほど希少になります。したがって、比較的正確な年齢の判定は、一般的に 60,000 年以内となります。時間が遡るほど誤差は大きくなります。

では、化石、岩石、地球の年代はどのようにして決定されるのでしょうか?化石や岩石の年代は数億年、あるいは数十億年になることが多いですが、地球の年齢は 46 億年です。これはどうして起こったのですか?

実際、C-14 は、非常に古い時代の化石や岩石の年代を決定するために使用することはできませんが、人々に方法論的なインスピレーションを与えてきました。つまり、C-14 放射性同位体は年代を決定するために使用でき、放射性同位体は多数存在し、その中には半減期が非常に長いものもあるのに、なぜ半減期の長い放射性同位体を使用してより古い物質の年代を較正することができないのでしょうか。

実際、古代の物質の年代を測定するために使用されるのは、半減期の長い放射性元素です。たとえば、現在地質学者が岩石の年代を決定するために使用している同位体崩壊システムには、C-14 法に加えて、ウラン - トリウム - 鉛法、サマリウム - ネオジム法、ルビジウム - ストロンチウム法、カリウム - アルゴン法などがあります。

これらのプロセスは非常に専門的で複雑なので、ここでは詳しく説明しません (上の図を参照: ウラン-トリウム-鉛法の概要)。

実際、これらの元素の半減期と、それらの崩壊過程、そして最終的に安定した元素になる過程を理解するだけで、大まかな考え方を理解できます。

たとえば、ウラン（化学元素記号 U）には、U-234、U-235、U-238 という 3 つの天然同位体が存在します。これらの原子核にはすべて 92 個の陽子がありますが、中性子の数はそれぞれ 144、145、146 個と異なります。それらの天然存在比は、U-238 が 99.275%、U-235 が 0.72%、U-234 が 0.005% です。

ウランの3つの天然同位体の半減期は、U-238が45億1000万年、U-235が7億年、U-234が24万7000年です。このように、さまざまなサンプルに含まれるウランの含有量と同位体の比率に基づいて、その物体が誕生してから現在までどのくらいの期間生きてきたかを知ることができます。

放射性元素を決定する他の方法も、大まかにこの方法で計算されます。

放射性元素による年代測定法が登場する前は、地球の歴史に関する人々の理解は、主に経験的な推定やナンセンスに基づいていました。たとえば、古代ギリシャのアリストテレスは、時間には始まりも終わりもなく、したがって地球は無限に古いと信じていました。中世には、多くのキリスト教神学者が聖書の研究を通じて地球の年齢を5471年から7519年の間であると推定し、ある信者は地球の誕生日を紀元前4004年10月22日であると正確に計算しました。

当時の人々は地球が宇宙の中心であると常に考えていたため、地球の年齢が宇宙の年齢であると信じていました。

実のところ、これはすべてナンセンスです。ダーウィンが研究の末に種の進化論を提唱して初めて、人々の世界に対する理解は科学体系の中に取り入れられました。彼らは、多くの化石は数千年という年月では説明できないこと、そして地球は想像されていたほど若くないことを発見した。しかし、地球は何歳なのでしょうか?概念はこれまで存在したことがありません。

C-14 の発見とウィラード・リビーの C-14 年代測定法の登場によって、放射性同位元素を使用して古代の物体の年代を決定する時代が始まり、宇宙と地球に対する人類の理解は劇的な変化を遂げました。地球上のさまざまな地質年代の調査と測定を通じて、地球の年齢は少なくとも40億年であることがわかっています。

カリフォルニア工科大学の地球化学者クレア・パターソンは、原子爆弾を開発するマンハッタン計画に携わったが、宇宙の年齢を計算したことでより有名である。 1950年代に、彼はウラン鉛年代測定法を改良して鉛鉛年代測定法を発明した。彼はディアブロキャニオン隕石中の鉛の同位体含有量を測定し、地球の年齢が45億5000万±7億年であることを導き出しました。この正確な推定値は、現在まで一致していません。

隕石は基本的に太陽系の小惑星であるため、隕石を測定すると地球の年齢を明らかにすることができます。これらの小惑星は太陽系の形成の産物であり、地球と同じ年齢の天体です。しかし、クレアの計算誤差は±7億年なので、科学界では一般的に地球の年齢は46億年である可能性があると考えています。

科学者たちは、地球の年齢を計算することに加えて、放射性同位体年代測定法を使用して、恐竜の化石、カンブリア爆発の化石、最古の微生物の化石など、多くの地質学的条件、古生物学的化石などをかなり正確に測定し、人類が故郷の歴史についてますます理解できるようにしてきました。これについてどう思いますか？議論へようこそ。読んでいただきありがとうございます。

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