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太陽は何歳ですか？ 太陽はどのように輝いているのでしょうか？

太陽がエネルギーを放射している速度は、エネルギーが地表に到達する速度と地球と太陽の間の距離の測定値を使って簡単に計算することができる。 太陽が一生の間に放射したエネルギーの総量は、太陽光度と呼ばれる現在のエネルギー放射率に太陽の年齢をかけたものにほぼ等しい。

太陽が古ければ古いほど、放射した太陽エネルギーの総量は大きくなる。

放射エネルギーが大きいほど、あるいは太陽の年齢が高いほど、太陽エネルギーの源について説明を見つけるのが難しくなる。 夏の日、1立方センチメートルの氷を外に置き、太陽の光がすべて氷に吸収されるようにしたとしよう。 地球と太陽の距離が離れていても、太陽の光は40分ほどで氷を溶かしてしまう。 これは、太陽から地球までの距離であれば、宇宙空間のどこでも起こることなので、太陽を中心とした直径3億kmの巨大な球状の氷の殻も同時に溶けてしまうことになる。 あるいは、同じ量の氷を太陽の表面まで縮めると、地表の1万倍、厚さ約半キロの面積が、太陽から降り注ぐエネルギーによって40分で溶かされる計算となる。

この項では、19世紀の科学者たちが、太陽年齢を手がかりに、どのように太陽エネルギーの源を特定しようとしたかについて述べる。

太陽年齢の矛盾する推定値

19世紀の物理学者たちは、太陽放射のエネルギー源は重力だと考えていた。 ドイツの生理学教授で、著名な研究者、物理学教授となったヘルマン・フォン・ヘルムホルツは、1854年の影響力のある講義で、太陽の膨大な放射エネルギーの起源は、大きな質量の重力収縮であると提唱した。 その少し前の1840年代には、J・R・メイヤー（同じくドイツの医師）とJ・J・ウォーターソンも、太陽放射の起源は重力エネルギーの熱への変換であると提案していた1

生物学者や地質学者は太陽放射の影響を検討し、物理学者は放射エネルギーの起源に集中的に取り組んでいた。 1859年、チャールズ・ダーウィンは『自然淘汰による種の起源』の初版で、イングランド南部のノースダウンズとサウスダウンズの間に広がる大渓谷ウィールドが、現在観測されている侵食速度でどの程度の期間で洗い流されるかを推定し、地球の年齢を粗算している。 ハーシェルが強調したように、太陽の熱は、生命と地質学的進化の大部分に関与しているのである。

ダーウィンの地質活動の最低年齢の推定は、太陽が放射したエネルギー量の最低推定を意味する。 応用科学や工学に多くの貢献をしたほか、熱力学の第二法則を定式化し、絶対温度計を開発した（後に彼の名をとってケルビンスケールと呼ばれる）。 熱力学第二法則とは、熱は高温のものから低温のものへと自然に流れるが、その逆はありえないというものである。 そのためトムソンは、外部からのエネルギー源がない限り、太陽と地球は寒冷化せざるを得ず、やがて地球は生命を維持するには寒冷化しすぎると考えた。 この考えの初期（1854年）に、ケルビンは太陽の熱はその表面に落下する流星の衝突によって継続的に生み出されているのではないかと提案した。 ケルヴィンは天文学的な証拠によって自分の仮説を修正することを余儀なくされ、その後、太陽に利用可能なエネルギーの第一の源は、太陽が形成された原初の流星の重力エネルギーであると主張した

こうしてケルヴィン卿は、大きな権威と弁舌をもって1862年に次のように宣言した。 (1)化学作用以外の自然な説明は考えられません。 (2)化学作用説では不十分である。なぜなら、太陽の全質量に相当する物質間で起こる最も強力な化学作用は、3,000年分の熱しか発生させないからである。 (

ケルビンはダーウィンの推定を直接攻撃し、次のように修辞的に尋ねた。

では「ウィールドの侵食」に3億年などという地質の推定についてどう考えるか？

ケルヴィン卿は、ダーウィンが地球の年齢の見積もりを間違っていると考え、自然淘汰が働く時間についても間違っていると考えていました。 彼は、太陽の質量に等しい質量と太陽の半径に等しい半径を持つ物体の重力エネルギーを計算し、その結果を太陽がエネルギーを放射する速度で割ったのである。 この計算では、寿命はわずか3,000万年であった。

誰が正しかったか？

今見てきたように、19世紀には、誰に尋ねるかによって、太陽の年齢について非常に異なった見積もりを得ることができました。 著名な理論物理学者は、当時知られていたエネルギー源に基づいて、太陽はせいぜい数千万歳だと主張しました。 一方、地質学者や生物学者の多くは、地質の変化や生物の進化が太陽からのエネルギーに大きく依存していることから、太陽は少なくとも数億年前から輝いているに違いないと結論づけた。 このように、太陽の年齢と太陽エネルギーの起源は、物理学や天文学だけでなく、地質学や生物学にとっても重要な問題だった。

ダーウィンはケルヴィンの分析の力と彼の理論的専門知識の権威に震撼し、「種の起源」の最後の版では特定の時間スケールに関する記述をすべて削除してしまったのである。 1869年、彼は自然淘汰の共同発見者であるアルフレッド・ラッセル・ウォレスに宛てて、ケルビン卿について次のような苦情を書きました。 隕石の放射性年代測定から、太陽は46億年前のものであることがわかったのです。 例えが参考になるかもしれません。 例えば、ある友人があなたがコンピュータを使っているところを観察し、そのコンピュータがどれくらい長く動作していたかを調べようとしたとする。 電池が必要な電力を供給できるのは数時間までなので、妥当な見積もりは数時間までかもしれません。 この分析の欠陥は、コンピュータが必ずバッテリーで駆動しているという仮定にあります。 もしパソコンが壁のコンセントから電源供給されている場合、数時間という見積もりは間違っている可能性があります。 電池がコンピュータに電力を供給しているという仮定は、ケルビン卿が重力エネルギーが太陽を動かしていると仮定したことに似ている

19世紀の理論物理学者は、核物質がエネルギーに変換される可能性について知らなかったので、太陽の最大年齢を短すぎる計算をした。

1 フォン・ヘルムホルツとメイヤーは、エネルギー保存の法則の共同発見者の一人であった。 この法則は、エネルギーはある形から別の形に変化しても、その総量は常に保存されることを述べている。 エネルギー保存則は現代物理学の基本原理であり、極小の領域（素粒子）から最大の構造物（宇宙）まで、その間にあるあらゆるものを分析する際に利用される。 アインシュタインがエネルギー保存の法則を一般化したことが、太陽放射の起源を理解する上で重要な要素であったことは、後ほど紹介する。 エネルギー保存の法則を放射能に応用することで、ニュートリノの存在が明らかになりました。

解決の糸口が見えてきた