原子

原子を初めて見たときのことは覚えていないが、理科の授業で初めて原子を学んだときのことは覚えている。あのとき原子に強く魅了された。授業で見せられた図の複雑さや、原子同士が結びついて物質になる仕組みに、もっと知りたいという気持ちをかき立てられた。周期表における原子の位置や、その粒子について、さらには家庭のエネルギーを生み出すためにどう使われているかについても、たくさん読んだ。

ずっと後になってプログラミングを学び、授業や本で学んだことを形にしたいと思うようになった。原子を作り、動く様子を眺め、その一つひとつの部品が本物らしく見えるようにしたかった。それらを組み合わせて、もしかしたらシミュレーターの中でもっと大きな何かを作れるかもしれない、とも考えた。しかし予想外のことが起きた。もう好奇心旺盛な若者ではなく、物事の考え方がまったく違う大人になっていたのだ。そこで私はゼロから調べ直すことにした。結果は驚くべきものだった。何年もこのテーマの本を読んできたのに、批判的に考えるほんの数時間だけで、それまで見えていなかった細部が明らかになったのだ。

語られ方はさまざまだが、そのほとんどは古代にまでさかのぼり、だいたい次のような話になる。

「原子についての最初の研究は古代にまでさかのぼると言われている。当時、最も探究心の強い者たちは、あらゆるものがいくつの部分に分けられるのかを考えた。長い研究の末、彼らはものには限界があり、それ以上は分けられないという結論に至った。そして最後に残ったのは、あまりに小さく知覚できない断片であり、それを彼らは『原子』と呼んだ。」

このイメージをつかむには、ものすごく退屈しているところを想像してほしい。分割できるものなら何でもいい——爪楊枝でも、葉っぱでも、果物の一片でもいい——それを半分に割る。もう一度。またもう一度…もうこれ以上できなくなるまで。そしてついに、原子の出来上がりだ!……少なくとも、そう考えられていた。

もし時間を止めて、この話のままでいられるなら、私のシミュレーターを作るのは簡単だっただろう。リンゴを二つに、三つに分割していき、どこかで限界を設定すれば、それで終わりだ。しかし、これは物語のほんの始まりにすぎなかった。

ここから先は、今日私たちが「原子」と呼ぶものを少しずつ形づくってきた歴史的事実と発見を、深く調べた成果である。

19世紀初頭、イギリスの化学者ジョン・ドルトンは、周期表も化学元素を表す記号もまだ存在しなかった時代に、独自の図式表現の体系を作り上げた。基本的には、金、銀、炭素、酸素……といった既知の元素を一覧にし、それぞれの横に、区別できるように内部の模様が異なる円を描いた。

ドルトンは原子を、微小で硬く分割不可能な球体として捉え、それらを一般に「究極の粒子」と呼んだ——物質の限界、つまりそれ以上は分割できない地点のようなものだ。彼の研究は、原子という抽象的な概念と化学実験を決定的に結びつけることに成功し、そのために彼は歴史的に原子論の父として認められている。

ほぼ1世紀後、別のイギリスの科学者ジョゼフ・ジョン・トムソンは、陰極線の性質を説明しようとして、それらが電気を帯びた微小な粒子(コーパスル)からできていると主張した。そうした粒子がどこから来るのかを説明するために、彼はそれらが原子の中に存在すると論じ、プディングの中の干しぶどうのようなものだとし、その「プラムプディング」に基づいた原子理論まで作り上げた。

注目すべきは、トムソンがそれらの粒子を世界に一つも見せたことはなかったという点だ。彼は実験からそれらを推論しただけで、実際に見たわけではなかった。それでもこの発想は1906年にノーベル賞を受賞し、揺るぎない事実として刻み込まれた。それ以降、原子は控えめな仮説であることをやめ、誰も疑うことをためらうもののない存在になった。この出来事は当時の科学者たちにとってゲームのルールを完全に変え、原子とその理論を成功への確実な足がかりに変えてしまった。

数年後、ニュージーランドの科学者アーネスト・ラザフォードもまた、放射能に関する自身の研究を原子と結びつけ、原子はトムソンのプディングのように静的なものではなく、むしろ小型の太陽系によく似たものだと主張した。彼はさらに新しい要素——質量のほぼすべてが集中する微小な原子核——を加え、それを土台に新しい原子理論を構築した。

この新しい惑星型原子模型は、非常に小さく正電荷を帯びた原子核があり、その周りを負電荷を帯びた粒子(電子)が軌道を描いて回る、いわば軌道系のようなものだった。三つ目の要素である中性子はまだ登場していない——それが現れるのは1932年になってからだ。放射性物質に関する研究により、ラザフォードは1908年にノーベル賞を獲得した。

ラザフォードの成功とほぼ時を同じくして、デンマークの若き科学者ニールス・ボーアは、惑星型原子模型の誤りを正そうとして、そこに軌道準位、エネルギー準位、軌道間の跳躍、さらには電磁波だと仮定した光の放出と吸収までを付け加えた。ボーアの研究によって、それまでは特定の現象を説明するための理論的な地図にすぎなかったものが、理解するために黒板を埋め尽くす必要のあるものへと変わった。原子構造への貢献の結果として、ニールス・ボーアは1922年にノーベル賞を受賞した。

ボーアの後に続いたのは、ほとんど終わりのない優れた頭脳の列だった。彼らは皆、原子について——それまで誰も見たことのない——ますます奇抜な理論を付け加え、その数学的な装置を天文学的な水準にまで膨らませていった。正直に言うと、このテーマについて何時間も読んだ後では、それぞれの原子模型を見ることは、サンタクロースのそりを見るようなものだった——誰も実際に見たことがないのに、途方もなく喧伝されている何かだ。

原子模型が想像上の地図であるとするなら、もっと率直な疑問が浮かぶ。原子に似た何かが実際に見られたことはあるのだろうか?その短い答えは居心地が悪い——それは私たちが見るということで何を意味するかによる。

もう少しわかりやすく説明すると、リンゴを見ている場面を想像してほしい。光がその表面で跳ね返り、私たちに届き、目の中にその像を結ぶ。しかし、およそ200ナノメートルより小さくなると、その仕組みは働かなくなる。ふつうの光はもはや存在するものの肖像を返してくれず、それを描き出すことなくその周りを通り抜けていくかのように進んでいく——まるでその物体が透明であるかのように。非常に特殊な光——巨大な粒子加速器で作られるような極めて強力な光——だけが、そのスケールに近づくことに成功しているが、それでも得られるのは写真ではなく、パターン、すなわちシルエットと影である。

科学は、手にしているあらゆる技術を駆使して、驚くほど遠くまで到達している。ぼやけたシルエットを特定し、数え、一つずつ並べ、信じられないほど小さなスケールで電場を測定することさえできる。しかし、そうした一つひとつの偉業は、画像に扮した測定であって、直接見ているわけではない。今日「原子の写真」と呼ばれるものも、依然として地図である——トムソンやボーアのものよりはるかに優れてはいるが、結局は地図なのだ。そして、これは大げさにではなく、落ち着いて言わなければならない。私たちはその痕跡を驚くべき精度で測定してきた。しかし、リンゴを見るのと同じ素朴な意味で原子を「見る」ことは、まだできていない。そしてこれは、非常に小さいもの、あるいは非常に遠いもののほとんどについても同じことが言える。

ほとんど突拍子もない仮定だが、重要でもある。もしその信憑性の低さを前に、原子を一気に取り除くと決め、あらゆる模型を教室から、そしてありとあらゆる学問分野から消し去ってしまったら、何が起こるだろうか?

まず最初に起こるのは、教室と教育における完全な混乱だろう。教科書は書き直され、200年以上の歴史が消されることになる。何百万ものページが概念上の「穴」や、取り消し線を引かれた言葉、禁止された用語で埋め尽くされ、文章はまったく読めないものになってしまう。シュレーディンガー方程式、ルイス構造式、分子結合の図はいずれも基本的な前提を欠き、意味のない落書きへと変わる。ナノテクノロジー、原子核物理学、生化学に捧げられた無数の学位論文は、一瞬で無効になってしまうだろう。

とはいえ科学は止まらないだろう。原子がかつて説明していたことを説明するために、数学的、哲学的な、別の道を探すはずだ。なぜなら、世界は依然として同じもので出来ているからだ。私たちが消し去ったのは地図だけであり、大地そのものではない。

どんなにありそうにないことに思えても、この膨大な努力の裏には——そして原子をよりよく描くために生涯を捧げてきた何千人もの人々の裏には——一つの賭けがある。物質がより深いレベルで何からできているのかを探ることは、可能性に満ちた宇宙を約束してくれるということだ。

化学元素の変換が実現可能になるかもしれない。原子炉はすでにウランのような元素をプルトニウムやセシウムに変えている。より軽い元素に粒子をぶつけることでも、同様により重い元素に変えることができる。しかし、そうした変換の一つひとつは極めてコストが高く実用的ではなく、その上わずかな量しか得られない。こうしたことすべては、私たちがそのプロセスをよりよく理解し、より低いレベルで制御できるようになれば、変わりうるものだ。

冗談めかして言えば、私たちは石を金やダイヤモンドに変え、銀行を満たし、それからまた岩に戻すことだってできるかもしれない。さらに進んで、新しい性質を持つ新しい化学元素——重力に逆らう素材、高温超伝導体……といった、終わりのない物語——を作り出すことさえできるかもしれない。

二つ目の恩恵はすでに実現している。しかも実験室ではなく、あなたの家の中でだ。世界の電力のかなりの部分は、私たち全員がそれを享受できるようにする巨大な取り組みから生まれている。物質をよりよく理解することは、今日のものよりもはるかに優れ、効率的な、まだ知られていないエネルギー生成の方法を切り開くかもしれない。もちろん、非平和的な目的での利用の可能性を脇に置いてのことではない。それは歴史を通じて悲劇的な結果をもたらしてきた。

しかし、すべてが悲劇をもたらすわけではない。この研究の裏には、病気の診断に欠かせない核磁気共鳴画像法のような技術を向上させる希望や、未来のコンピューターを夢にも思わなかった限界まで導くかもしれない、情報を処理する新しい方法を見つける希望がある。そして、間違いなく最も野心的で空想的なものとして、古くからの目標が姿を現す。時間とは何かを理解し、もしかしたらそれを制御することだ。

これらすべてが、なぜこれほど多くの人が鉛筆を置くことなく研究を続けているのかを説明している。原子ほどぼやけていて空想的な地図でも、私たちをここまで導いてくれたのなら、物質を最も低いレベルで理解し制御できるようになったら、私たちはどこまで行けるのだろうか?

結局のところ、私のシミュレーターは単なる試みのままに終わった。想像がつくと思うが、コンピューター上で原子をシミュレートするのは、目隠しをしたまま蝶を捕まえようとするようなものだった。それでも、このすべての経験は、原子とその空想上の模型に興味を持たせてくれただけでなく、かつて私たちを魅了しながらも、突き詰めればほとんど誰も本当には知らない、知識の宇宙全体に取り組ませてくれた。