僕らは星のかけらーー原子をつくった魔法の炉を探して

書籍情報

【単行本】

著　者：: マーカス・チャウン
訳　者：: 糸川洋
出版社：: 無名舎
出版年：: 2000年6月

【SB文庫】

著　者：: マーカス・チャウン
訳　者：: 糸川洋
出版社：: SBクリエイティブ
出版年：: 2005年9月

「原子の物語」と「星の物語」。本書は、星はどのようにして光り輝いているのか、あまたの元素はどのようにして誕生したのか、その探求を謎解き風の構成で語り尽くした一冊

まず、プロローグの言葉を紹介したい。

「私たちの血液に含まれている鉄、骨に含まれているカルシウム、息を吸うたびに肺を満たす酸素は、すべて、星の内部奥深くの灼熱のオーブンで焼かれ、その星が年老いて、消滅すると同時に、宇宙に解き放たれたものだ。私たちは、誰もが大昔に死に絶えた星の忘れ形見なのである。私たちの誰もが、文字通り天でつくられたのである」

本書は、原子という概念を唱えたギリシャの哲学者デモクリトスの話から始めて、星はどのようにして光り輝いているのか、あまたの元素はどのようにして誕生したのかを、謎解き風の構成で語り尽くした一冊だ。

著者は、「この物語には、原子の物語と星の物語という二つの物語が織り込まれている」という。「なぜなら、星は原子の秘密を解く鍵を握っており、原子は星の謎を解き明かしてくれるからだ」

この本は3部構成だが、この書評では第2部と第3部を紹介したい。

第1部の内容について、著者は、つぎのように記している。「地球上の万物が原子から構成されていることが解明されるまで」(第1章)。「原子が原子より小さいものから構成されており、重い原子が爆発的なエネルギーを放出して軽い原子に変化することが発見されるまで」(第2章)

第2部は、太陽はどのようにして輝き続けているのかを探求した科学者たちの物語

どのような構成になっているのかを、部分的に引用しながら、ざっと紹介してみたい。

19世紀、太陽の熱源は「重力エネルギー」だと考えた科学者たちがいた。ユリウス・ロベルト・マイヤーと、ジョン・ジェームズ・ウォーターストンだ。

「マイヤーの説は、おびただしい数の隕石が継続的に太陽の表面に降り注いでおり、それが太陽の熱を保っているというものだった」

ウォーターストンは、「太陽が重力エネルギーを熱に変換する方法を二つ提案した。一つは、マイヤーと同様に周囲の宇宙から隕石を吸い寄せるというもので、もう一つは、太陽自体が徐々に収縮するというものだった」

「ウォーターストンとマイヤーの太陽の熱源に関する論文が広く知れ渡ることはなかった。ヘルマン・フォン・ヘルムホルツとウィリアム・トムソンという一九世紀最高の二人の物理学者の目に留まることがなければ、彼らの論文はとっくに忘れ去られていただろう」。著者はこう記し、この二人の物理学者にまつわるエピソードを綴っていく。

つぎに、「放射能と太陽の謎の熱源」を結びつけた科学者を紹介している。ジョン・ジョリーと、ジョージ・ダーウィンだ。1903年、二人はそれぞれ独自に、「太陽は放射能をエネルギー源としていると提唱した」

放射能は、アンリ・ベクレルによって発見された。放射能と名づけたのは、マリー・キュリー。

ベクレルの発見から数年後、アーネスト・ラザフォードとフレデリック・ソディーは、「原子が不滅であるという二千年来の概念を歴史のごみ箱に捨て去った」。「原子は、放射性崩壊の過程で、すさまじいエネルギーを放出しながら自発的に別の原子に変身することができたのである」

太陽に放射性元素が含まれているという証拠はあったのだろうか？

太陽に行ってサンプルを持ち帰ることはできない。どうやって調べるのか。その方法の鍵を握っていたのは、ヨーゼフ・フォン・フラウンホーファーによる発見だったという。

「フラウンホーファーは瞬きし、目をこすった。何かの間違いに決まっている。だが、目を細めて顕微鏡を覗くと、そこにはまだ黒い線があった。目が顕微鏡に慣れるにつれて、その黒い線が一本だけでなく、ほかにもあることがわかった。やがて見える本数が増えていった。太陽光スペクトルの端から端まで、たくさんの非常に細い黒い線が交差していたのである」

著者は、フラウンホーファーの物語と、フラウンホーファー線の謎を解明したグスタフ・キルヒホフの物語を描く。19世紀の物語だ。

「ついにフラウンホーファー線の謎が解明された。フラウンホーファー線は、太陽に存在するさまざまな原子の「指紋」の組み合わせだった。……略……結論は一つしかなかった。太陽は、地球とまったく同じ種類の原子から構成されていたのである」。「キルヒホフは、太陽光スペクトルの暗線と、実験室で化学物質によって生成される輝線を比較するだけで、何百万マイルもの宇宙の彼方に浮かぶ天体を構成する元素を特定することができた」

キルヒホフの物語のあとで、ノーマン・ロッキャーが、太陽の紅炎のなかに「ヘリウム」を発見するエピソードを綴る。

「地球上のヘリウムは、放射能と密接に結び付いている。ヘリウムと放射能の関連は、一九〇三年、ラムゼーとフレデリック・ソディーによって明らかにされた」

では、先述した問いの答えはどうだったのか。太陽に放射性元素が含まれているという証拠はあったのだろうか？

著者は、つぎのように記す。

「太陽のスペクトルには、鉄、カルシウム、銅など、安定元素の存在を示す証拠は豊富にあったが、天文学者たちが血眼になって探しても、ラジウムによって生成されるフラウンホーファー線は、まったく見つからなかった。また、ごく微量なものを除いて、太陽にウランやトリウムが存在している形跡もまったくなかった。太陽のヘリウムの供給源が何であるにせよ、それが放射性崩壊でないことだけは確かだった」

放射能以外に、原子エネルギーを放出する方法があった。「それを発見したのは、フランシス・アストンというケンブリッジ大学の物理学者だった」

著者はアストンの物語を綴っていく。

アストンは、観察結果について熟考していたとき、ジャン・シャルル・ガリサール・ドゥ・マリニャックがかつて提唱した「大胆な仮説」を思い出した。

ドゥ・マリニャックは、「水素原子が結合して、つまり「凝縮」して、ほかの元素になるときに、質量がエネルギーとして消耗される」と考えた。

「質量がエネルギーとして消耗される」。この言葉がアストンの頭の中で響いたという。この記述から、アルバート・アインシュタインの話題を紹介し、有名な数式E=mc2の説明へ。

そして、アストンの発見とラザフォードの発見を紹介し、その後でこう記す。「…アストンが軽い原子の結合による重い原子の形成という新しい原子エネルギーの放出の形態を発見し、ラザフォードが実際にそのプロセスが起きることを証明した」。ジャン・バティスト・ペランが、既知の事実から自明の結論を引き出した。「ペランは、太陽が常に水素を重い原子に変換しており、その過程で放出される核の結合エネルギーが太陽光の源泉になっているという説を提起した」

ペランの説が正しいかどうかは、「太陽の内部の状態に依存していた」

太陽の内部構造。その解明に取り組んだアーサー・スタンリー・エディントンの物語を、著者は描いていく。「エディントンの恒星理論はまさしく偉業だった」

「ついに太陽を輝かせている源泉の謎が解明されたかに見えた。すべてが理屈に合っているように思えた。だが、一つだけ、問題があった。二つの水素の核が「融合」するのに十分な距離まで近づくには、核どうしが超高速で衝突する必要があった。超高速とは超高温を意味する。必要な温度は約一〇〇億度だった」。だが、エディントンの恒星理論によれば、太陽の中心部の温度は低すぎた。「この挫折にもかかわらず、水素からヘリウムへの変換以外に太陽のエネルギー源はあり得ないというエディントンの信念は揺るがなかった」という。

「このジレンマから抜け出す方法」は、「太陽では、水素からヘリウムへの融合が一〇〇億度よりはるかに低い温度で行われているという可能性にかけることだった」

それは可能なのか？　この問いに答えたのは、ジョージ・ガモフだった。

ガモフは、「ドイツの町、ゲッティンゲンに滞在していた二ヶ月の間に、太陽では比較的低い温度でも水素がヘリウムに変換される可能性があることを示唆する重要な現象を発見した」。その発見のきっかけは、「放射性原子からのアルファ粒子の放出に関する問題だった」

「一九二〇年代に、アルファ崩壊のプロセスにまつわる不可解な謎が浮上した。アルファ粒子が十分なエネルギーを持っていなくても核の要塞から飛び出すことができたのである」

著者は、「アルファ崩壊の不可解な謎の解明に取り組む」ガモフの物語を描く。ガモフは、「トンネル効果」のアイデアを思いついていた。

「ガモフは、そのときに気付いていれば、エディントンの祈りに応えて、数十億度ではなく、数百万度でも水素をヘリウムに変換する方法を示す手段を手にしていたのである。あいにくガモフには恒星に関する知識がほとんどなかったため、トンネル効果が太陽のエネルギー生成に持つ意味を認識できなかった」という。

それを認識したのは、フリッツ・フーターマンスだった。

1928年の夏、フーターマンスは初めてガモフに出会い、「ガモフのトンネル理論に感服した」。その後、「アルファ崩壊について考え続けていたフーターマンスは、ガモフが見逃していた明白な事実に気付いた。粒子が核のトンネルから出られるとすれば、トンネルの中に入ることもできるに違いない」

著者は、フーターマンスが、ロバート・アトキンソンを誘って共同研究に着手することを描く。

「フーターマンスとアトキンソンは、ガモフのトンネルのアイデアを逆転させることにより、誰もが限界と考えていた温度の千分の一ほどの低温でも核エネルギーが太陽の熱源となり得ることを立証した」。「それはエディントンの祈りに対する応えだった」

だが、中性子が発見されたのは、1932年のこと。それは、1929年時点では、フーターマンスとアトキンソンは、「ヘリウムの核が四個の陽子から構成されていると思っていたことを意味する」。そして、こう記す。「ヘリウムの核には実は二個の陽子と二個の中性子が含まれていることがわかると、陽子捕獲方式によって太陽のエネルギーが供給されているという説は、きわめて深刻な問題に直面した」と。

著者は、その問題の解決法について記し、そして、「太陽光の製法」の物語を綴る。第8章「太陽光の製法」、これが第2部の最後の章題だ。ここでは、カール・フリードリヒ・フォン・ヴァイツゼッカーとハンス・ベーテの物語を綴り、炭素サイクル（炭素–窒素サイクル／炭素–窒素–酸素サイクル（CNOサイクル）とも呼ばれている）と、陽子–陽子連鎖を解説する。

「ここへきて、陽子–陽子連鎖と炭素サイクルという二つの太陽光の製法が提示された。では、どちらが太陽のエネルギー源になっているのだろうか」

「どちらのプロセスが太陽で主流を占めるのかを突き止めるには、それぞれのサイクルで核反応が起きる速度を調べる必要があった。……略……。この数値は実験で測定しなければならなかった」。その実験を行ったのは、ウィリー・ファウラーだった。

著者は、ウィリー・ファウラーの物語を綴る。

「ファウラーの測定は、陽子–陽子連鎖が太陽光の発生源であることを証明したが、炭素サイクルを科学史の片隅に追いやったわけではない。それどころか、ファウラーの測定は、ベーテとフォン・ヴァイツゼッカーが発見した水素からヘリウムへの変換サイクルが、太陽より熱い、したがって太陽より質量の大きい恒星の主要なエネルギー源であることを示していた」。著者はこう記して、さらなる問題を読者に提示する。

つぎのように記した。

「だが、炭素サイクルには未解決の謎があった。炭素サイクルが機能するには、恒星に炭素の供給源がなければならなかった。だが、炭素はどこから来たのだろうか。ついでに言えば、ヘリウムより重いあらゆる元素はどこから来たのだろうか。私たちの血液に含まれている鉄、骨に含まれているカルシウム、息を吸うたびに肺を満たす酸素の発生源はどこなのか」

そして本書は、第3部「魔法の炉」へと突入する。

第3部は、第2部同様の謎解き風の構成で、元素の起源に迫っていく

第3部でも、あまたの科学者の研究を紹介しているが、そのなかで、一人だけ第3部の〝主役〟を挙げるなら、それはフレッド・ホイルだ。著者が「最も尊敬する天文学者」は、ホイルだという。

第3部では、フレッド・ホイルのいくつもの研究を紹介している。

たとえば、ホイルとレイ・リトルトンによる赤色巨星の解明の試みを紹介している。「あのように巨大な大きさにまで膨れあがるような恒星をつくり出す方法はあるのだろうか」。著者は、二人の発見をつぎのように綴る。

「その方法を発見したホイルとリトルトンは、快哉を叫んだ。恒星の中心核と周辺部の間で組成が異なれば、もっと厳密にいえば、中心核が他の部分より重い粒子から構成されていれば、恒星は巨大な赤い風船のように膨れ上がるはずだった」。「これが赤色巨星の製法だった。……略……その構造は密度の高い核を中心に持つ桃に似ていた。後は、どうしたら恒星の内部が桃のようになるかを考えればよかった」。著者は、赤色巨星の解明にまつわる話を綴っていく。

「ホイルとリトルトンが赤色巨星のきわめて特異な特性をうまく説明できたことにより、恒星の化学的組成は恒星の生涯にわたって常に一定に保たれるという概念は壊滅的な打撃を受けた。……略……」。「歳月を重ねるにつれて組成がますます不均一になるという事実が、恒星を解明する鍵を握っていた」。この記述から、恒星の成長過程を紹介する。恒星の内部は、「玉ねぎのようになるはず」だという。

そして、こう記す。「ホイルとリトルトンが正しければ、元素の形成は、恒星の成長がもたらす必然的な成り行きだった。恒星の成長は原子の成長の原動力となり、その原子の成長が恒星の成長の原動力となっていた」と。

つぎのホイルの物語は、ホイルが「鉄属元素が核の熱平衡でつくり出されたことを示す動かぬ証拠」をつかむまでの物語だ。それがつくり出されたのは超新星の内部だとホイルは考えた。

さらに、「二段階の三重アルファプロセス」にまつわるホイルの物語を綴る。

重い元素の形成における「障害」を、著者はつぎのように記す。

「自然は、質量五または質量八の安定した原子核をまったく用意していなかった。そのため、重い元素の形成に至る道は閉ざされていた。なぜなら、ヘリウムより先に進むためには、核の構成要素を追加してヘリウム五またはリチウム五を形成するか、別のヘリウム核を追加してベリリウム八を形成する必要があるからだ。これらの核は、どれも一瞬にして崩壊してしまう」

だが、この宇宙にはヘリウムより重い元素が存在している。では、それはどのようにして形成されたのか。まず、エド・サルピーターによる「二段階の三重アルファプロセス」の研究を紹介し、その後にホイルの奮闘を描いている。

二段階の三重アルファプロセスとは、まず、二つのヘリウム核が衝突し結合してベリリウム8を形成し、そのベリリウム8に、もう一つのヘリウム核が衝突し結合して、炭素12を形成するというもの。

このベリリウム8は不安定だが、「まったく存在できないほど不安定なわけではない。要するに平均寿命がきわめて短いだけである」

サルピーターは、二段階の三重アルファプロセスによって、炭素12が形成されると考えた。

ホイルも、このプロセスによって炭素を形成する方法を思いついていた。

ホイルは、「三重アルファプロセスを綿密に調べた結果、ベリリウム八とヘリウム四を結合する核反応が起きる確率がきわめて低いことを発見した。サルピーターが思い描いた三重アルファプロセスは、自然界に存在する大量の炭素をつくり出す能力をまったく持っていなかった」。ホイルは、「どうしたら三重アルファプロセスが機能するかを考えはじめた」

ホイルは、ベリリウム8とヘリウム4の間の核反応を加速することはできるのかを考えたという。それは可能だったが、それには、炭素12が「非常に特殊な特性を帯びている必要があった」。それは、炭素12の7・65MeVの励起状態が存在することだった。しかし、これまで行われたあらゆる実験は、それが存在しないことを示していた。

「だが、ホイルは、自分の理論に揺るぎない自信を持っていた。……略……。このエネルギー状態が存在しなければ、宇宙には炭素が存在しないはずだというのが彼の論拠だった」

ホイルは、実験核物理学者ウィリー・ファウラーにこの話をする。ホイルの主張に、ファウラーは「度肝を抜かれた」。ホイルは、「原子核の厳密なエネルギー状態の予測という、かつて世界中のどんな核物理学者もやったことのないことをできると主張していた」

ファウラーは、「少人数の研究グループのメンバーを集めた」。そして議論のすえ、実験が行われることになる。そして、炭素12の7・65MeVの励起状態が存在することが明らかになる。このような物語を、励起状態などの用語を説明しながら綴っている。

まだまだ、ホイルの活躍は続く。「知力の結集が可能にした偉業だった」という論文「B2FH（B二乗FH）」の話題が登場する。その論文は、1957年、マーガレット・バービッジ、ジェフリー・バービッジ、ウィリー・ファウラー、フレッド・ホイルによって発表された。

「自然界のほとんどの元素の形成過程を解明したという点で、「B2FH（B二乗FH）」は、当然のことながら、二〇世紀の物理学史上最大の業績の一つと見なされている」という。

ここまで、フレッド・ホイルの物語を中心に第3部を紹介してきたが、他にもたくさんの科学者が登場する。

「B2FH（B二乗FH）」は、「最も軽い元素の起源を説明できなかった」。「魔法の炉」は、星だけではなかった。「熱いビッグバンの火の玉」でも元素がつくられたという。第3部では、「ビッグバンの炉」にまつわる物語も登場する。

エピローグ（約2ページ）では、本書の「長い探求の旅」を振り返り、「好奇心を持った原子」へとつながる壮大な歴史を綴っている。