彼は灯台を改修したばかりなのに、なぜ今年ノーベル賞を受賞したのでしょうか?

1912年、スウェーデン王立科学アカデミーは、その年のノーベル物理学賞をスウェーデンのエンジニア、ニルス・グスタフ・ダーレンに授与することを決定しました。そのニュースが報道されると、学界は騒然となった。 100年経った今日でも、今年の賞に対して不満の声が上がっています。

これは驚くべきことではありません。ノーベル物理学賞の歴史を振り返ると、ほとんどの年で基礎研究と理論的成果が受賞対象となってきました。工学への応用に基づいて賞を受賞した人は、カラー写真を発明したリップマン (1908 年)、無線電信を発明したマルコーニとブライアン (1909 年)、集積回路を発明したキルビー (2000 年) など、ほんのわずかです。ダレンの受賞した業績は、工学分野に偏っているだけでなく、応用範囲も狭い。彼が製造したガス貯蔵装置や自動バルブは、灯台の自動制御用のみであり、「人類への最大の貢献」というノーベル賞の基準を満たしていないようだ。さらに重要なのは、100年以上経った今日、全地球測位システム、自動船舶識別システム、民間レーダーの普及により、灯台自体の実用的な機能は基本的に置き換えられてしまったことです。灯台に技術的革新をもたらしただけのダレンが、本当にノーベル物理学賞の栄誉に値するのでしょうか？

実際、灯台の進化の歴史と重要性について深い洞察があれば、この質問の答えを見つけるのは難しくありません。

灯台は単なる「光＋塔」以上のものである

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灯台の歴史に詳しくない人にとっては、世界中の灯台は大体同じように見えます。つまり、海沿いの塔の頂上で点灯される明るい光に過ぎないのです。厳密に言えば、この理解は間違っていません。初期の人間の航海活動は主に海岸近くで行われていたため、当時の灯台のほとんどは港湾都市の海岸や島に設置されていました。世界の七不思議の一つとして知られるアレクサンドリアの灯台を例に挙げてみましょう。アレクサンドリアのファロス島に建てられた高さ100メートルの四角い塔です。昼間は塔の頂上にある巨大な金属鏡で太陽光を反射し、夜になると金属鏡の前の火鉢に火が点火され、植物油から発せられる光が鏡に反射して船を誘導する目的を果たします。

それ以来、千年以上にわたり、灯台の建設方法や動作原理は大きく変わっていませんが、人々の海洋開発と利用は深まり続けています。一部の船は海岸から遠く離れた海の奥地に入り始め、水面下に隠れた岩礁は船乗りにとって消えない悪夢となった。

難破船が発生しやすい海の孤立した岩礁に道しるべとして灯台を建設することは、問題に対する良い解決策のように思えるが、この構想を実現するのは容易ではない。 1698年、イギリス人はプリマス沖の渦潮岩礁に純木造の灯台を建設したが、わずか5年後に巨大な波によって破壊された。 1708 年、木と鋼鉄でできた別の灯台が元の場所に再建されましたが、これも 1755 年に火災で焼失しました。イギリスの技術者ジョン・スミスが灯台の強度を高めるために石とコンクリートを建築材料として使用したのは 1759 年になってからでした。彼はまた、巨大な波の影響を軽減するために、私の国、広州の小さな腰の塔に似た外部構造を採用しました。こうして、世界初の本格的な沖合灯台、スミソニアン灯台がついに完成しました。

より明るく、より軽く、より安定して、灯台の光は魂です

スミスの革新により、海中の孤立した岩礁に塔を建てるという問題は解決されましたが、塔自体と比べて、灯台の光こそが最も重要なものなのです。スミートン灯台が建設された当時、灯台の発光部分はアレクサンドリア灯台のものと基本的に違いはありませんでした。明るさを上げるために植物油の代わりに鯨の脂肪を使用し、安定性を得るために火鉢を水銀の表面に浮かべ、光を反射する反射鏡をスプリングドライブにアップグレードして均一な回転を確保しましたが、それでも灯台には光源の明るさが不十分、投射距離が不十分などの欠陥がありました。特に気象条件が厳しい深海では、激しい海風によって炎が吹き飛ばされて明るさが影響を受けるだけでなく、ライトが消えてサンゴ礁事故が発生することもよくあります。

幸いなことに、すでにピークに達していた産業革命による発明の波により、これらの欠点を改善することができました。 1782年、発明家のエイミー・アルガンは、炎を管状のガラスで覆うことで風の影響を排除できるだけでなく、炎をより高く、より完全に燃やすことができるということを発見しました。アルガンの管状芯を使用したランプは、石油を直接燃焼させる場合に比べて明るさが 6 ～ 7 倍に増加します。炎の後ろの反射板を炎の前の凸レンズに置き換えると、光が移動できる距離を大幅に増やすことができます。

しかし、新たな問題が続いた。巨大な凸レンズは高価なだけでなく、非常に重かった。一緒に回転する機械部品と相まって、灯台の光源部品セット全体の総重量はどんどん肥大化していきました。いくつかの小さな灯台では、そのような光源システムを搭載することができませんでした。この問題は、1823 年にフランスの技術者オーギュスタン・ジャン・ネフィルによって解決されました。ネフィルは、より細いネジ付きレンズを使用して、平行光を屈折させる凸レンズの性能を維持しながら、レンズの重量とコストを大幅に削減しました。ジロンド川の河口にあるゴドゥアン灯台でこのレンズを試したところ、32キロ離れた場所からでも灯台の光がはっきりと見えることがわかった。このタイプのレンズは現在でも広く使用されており、車のライトや携帯電話のフラッシュライトなどに使われています。

灯台の技術は急速に進歩していましたが、当時は灯台の数が少なすぎました。灯台を守るには人間の参加が必要です。海に浮かぶ孤立した灯台は、灯台守たちの長期的な生計を支えるのに十分な大きさに建てられなければなりません。膨大な燃料消費と相まって、灯台の建設と維持にかかるコストは非常に膨大です。 19 世紀を通じて、最も先進的な海洋国家でさえ、重要な海域に少数の灯台しか設置できませんでした。船員にとって、航海は依然として危険に満ちていました。世界中を安全かつスムーズに旅したかったら、ダレンが率いる決定的な革新を待つしかありませんでした。

船員たちの恩人と導きの光

ダレンの故郷であるスウェーデンは、長い海岸線と多くの島々を有しており、より安価で信頼性の高い灯台技術が常に緊急に必要とされていました。スウェーデンガスタンク会社に勤務していたダレンが灯台と出会ったのもこの時代でした。当時、ダレンはアセチレンの貯蔵と輸送の分野における技術研究に夢中になっていました。これに先立ち、アセチレンは明るい白色光を発し、その燃焼効率は石油よりもはるかに高いことが発見されていました。しかし、アセチレンは保管や輸送が非常に難しく、特に容器がぶつかると非常に簡単に爆発します。この問題に対処するため、ダレンはまずアセチレンをアセトンに溶かし、それを大気圧の 10 倍の圧力で内部が微細孔になっているガスタンクに注ぎました。この実用的な技術はすぐに灯台に応用されました。アセチレンの消費量をさらに削減するために、ダレンは灯台の実際のニーズに基づいて、再び自動ガスバルブを開発しました。彼は灯台を常に点灯しておく必要はないことを発見した。アセチレンランプは 1/10 秒から 1/30 秒だけ点灯すれば十分でした。瞬間的な閃光は、遠くの船が彼らを見つけるのに十分でした。数秒ごとに1回点滅させることで、1リットルのアセチレンから何千回もの閃光を発することができます。各灯台の閃光の頻度が異なっていれば、船員は閃光の頻度の違いを観察するだけで、どの灯台を観察しているかが分かります。

灯台の自動化をさらに進めるため、ダレンは 1907 年に昼光スイッチを発明しました。この装置は真空ガラス管に密封された 4 本の金属棒で構成されており、そのうち 3 本は高精度で元の金属色に研磨され、一番下の 1 本は黒く塗装されています。太陽光にさらされると、黒い金属棒が熱を吸収して他の 3 つよりも速く膨張し、ガスバルブのスイッチが遮断されてライトが消えます。太陽光が弱まると、黒い金属棒が他の金属棒と同じ長さに縮み、ガスバルブが接続され、ライトが再点灯します。

これら 3 つの発明のおかげで、灯台の照明装置は人間の介入なしに自動的に作動できるようになり、全体的な燃料消費量は 97% も大幅に削減されました。この装置は 1907 年に実用化されて以来、当初 20 万クローナかかっていた灯台の建設費が 9,000 クローナにまで下がり、年間の運用コストも 25,000 クローナから 60 クローナにまで下がりました。その後の数年間、灯台の革新の波が世界中に広がりました。もともと遠く危険な海域であった場所に、無人の灯台や自動航行標識が数多く出現しました。昼光スイッチは都市照明の自動制御の分野でも広く使用されており、金属の切断や溶接におけるアセチレン貯蔵技術の応用は今日まで続いています。

新しい技術の発展に伴い、灯台と、ダレンのような研究者が灯台のために行った多くの技術革新は、徐々に沈黙していきました。しかし、当時の状況を考えると、これらの工学的革新は驚くべき社会的、経済的利益を生み出しました。光のビームが海を横切り、数え切れないほどの船を難破から救い、数え切れないほどの船員の心に帰国の希望を灯しました。このため、船員たちはダレンを愛情を込めて「恩人であり導きの光」と呼んだ。今日振り返っても、この物語は依然として非常に意味深いものです。科学的な探究により、私たちは世界を新たな視点から理解することができ、科学に基づいた技術の応用により、私たちは世界を絶えず作り変えることができます。そういう観点から見れば、灯台で起こった出来事自体が、未来への道を示す科学精神の光明ではないでしょうか。

この記事は、中国科学普及-星空プロジェクト（創造と栽培）によって作成されました。転載の際は出典を明記してください。
著者: 放浪する科学ライター

査読者：中国科学院歴史研究センター所長 王 陽宗