大学入試問題に雪の結晶が登場！復習しましょう：「雪にヒントを得た科学実験」

科学ライターの尹川紅氏による「冬の妖精」の雪の結晶に関する記事が大学入試問題に掲載された。彼が自身の創造的経験を振り返る中で、私たちは先祖の科学的探究心から学びましょう >>

執筆者：尹伝紅（中国科学記者協会副会長）

ニューメディア編集者/李雲鋒

「雪にヒントを得た科学実験」の原文は次のとおりです。

人間が雪を認識し理解できるほど科学が発達する以前は、この「冬の妖精」はいつもとても魔法のようなものに見えました。その謎を解明するために、私たちの祖先は想像力を駆使し、また実際の行動を通して探求しました。

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凍結実験

1626 年 3 月末のある日、65 歳の誕生日を迎えたばかりのイギリスの哲学者でエッセイストのフランシス・ベーコンは、馬車に乗ってロンドン市街を出て、北郊外のハイゲートに向かいました。道中は空気が湿っていて涼しく、まだ溶けていない雪が時折見られました。

▲フランシス・ベーコン（写真提供：「知識は力なり」）

気分が悪かったにもかかわらず、深く考え込んでいたベーコンは突然、ある考えを思いついた。雪には塩と同じように肉の保存効果があるのだろうか？車がハイゲート・ヒルの麓に到着すると、ベーコンはすぐに冷凍保存の実験を行うことを決意した。彼は興奮して車から降り、ある家族から鶏を買って、女主人に内臓を取り除くのを手伝ってもらい、鶏の腹の中に雪を一掴み詰めた。

すべての準備を終えた後、ベーコンは突然、全身が冷たくなっているのを感じました。その夜、彼は高熱を出した。最初、彼は気にせず、雪を使って鶏を凍らせたことを友人に書き送り、自分の行為を古代ローマの作家大プリニウスの偉業と比較した。「私は、ベスビオ山で実験を行おうとして命を落とした大プリニウスと似た運命をたどっている。」

残念ながら、それは現実になりました！数日後の1626年4月9日、ベーコンは気管支炎の再発による窒息で亡くなった。

今日、人々がベーコンの名前を覚えているのは、主に彼が唯物論的経験主義の一連の哲学理論を提唱し、体系的な帰納的論理を定式化し、特に科学的実験の経験的方法である帰納を初めて要約し、近代科学の発展に指導的役割を果たしたからです。彼の有名な言葉「知識は力である」はさらによく知られています。

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興味深い雪の結晶構造

何千年もの間、人々は雪の優雅さ、純粋さ、美しさを鑑賞するだけでなく、その独特な形にも注目してきました。紀元前100年以上前の西漢の文帝の時代に、詩人である韓英が著書『漢詩外伝』の中で、「植物の花のほとんどは花びらが5枚だが、雪片には6枚の花びらがある」と指摘しました。何年も経ってから、ヨーロッパの文献には、雪の結晶の基本的な形は六角形であると記されています。これを記録した最初のヨーロッパ人はスウェーデンの大司教オーラフ・マグヌス（1490-1557）で、彼は1555年に出版した博物誌の中で雪の結晶について説明し、図解しました。

17 世紀初頭、雪の結晶は、惑星運動の法則の創始者であるドイツの天文学者ヨハネス・ケプラー (1571-1630) の注目を集めました。 1611年に書かれた「六角形の雪片」と題されたパンフレットの中で、ケプラーはプラハの橋を渡っているときに自分の服に雪片が落ちているのに気づき、その驚くべき幾何学的形状について考えさせられたと述べています。彼は、これは偶然ではあり得ないと考えている。「水蒸気は目に見えず、流れているので、原因は物質の中に見つけることはできない。原因は特定のメカニズムの中にしか存在し得ない。」さらに、彼は、このメカニズムは氷の「ボール」の秩序だった蓄積プロセスである可能性があり、氷の「ボール」は水などの液体の最小の自然単位を表しているのではないかと推測しました。

約20年後、フランスの数学者であり哲学者でもあるルネ・デカルト（1596-1650）も雪の結晶の美しさに魅了されました。彼は観察メモの中で、次のように感嘆の意を表した。「なんと完璧な六角形なのでしょう。辺が真っ直ぐで、角度も正確で、不器用な人間には到底扱えません。これらの完全に対称的な六角形のエルフが、自由な空気と荒々しい風の中で悠々と誕生するなんて、まったく想像もつきません。」

▲水分子でできた氷の結晶の形は表面張力によって決まります。氷の結晶の突起は 6 方向に伸びており、ほとんどの（すべてではない）雪片は六角形になっています（画像出典：「知識は力」）

顕微鏡が発明されて以来、雪の結晶は人気の観察対象になりました。有名なオランダの顕微鏡学者アントニー・ファン・レーウェンフック（1632-1723）は、雪の結晶を詳細に観察しました。その後、イギリスの物理学者ロバート・フック（1635-1703）も1665年に『顕微鏡写真』という本を出版し、顕微鏡を使って描いた雪片の写真を掲載し、雪片の結晶構造を説明した。これは人類が雪の結晶の形を具体的に記録した初めての事例だと考えられています。

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スノーマニアックの貢献

▲ウィルソン・ベントレー

1885 年のある日、米国フリーモント北部のジェリコの町で、ウィルソン・ベントレー (1865-1931) という農夫が古い顕微鏡を使ったカメラで雪の結晶の写真を初めて撮影しました。 「顕微鏡で、私は雪の結晶の美しさを発見しました。それは奇跡です」と彼は書いています。 「雪の結晶はどれも芸術作品であり、まったく同じものは二つとありません。雪の結晶が溶けると、その模様は永久に消えてしまいます。その美しさは跡形もなく消え去ります。」

▲ウィルソン・ベントレーが撮影した雪の結晶の写真

ベントレーは、カメラを使って美しい雪の結晶を永遠に保存したいと願いました。彼は数十年にわたって合計5,381枚の雪の結晶の写真を撮影しました。かつて、雪の結晶の写真を分類していたとき、彼は「美しい少女の笑顔」のような上品なタイトルをつけていました。彼が人々に考えさせたテーマ「全く同じ雪の結晶は二つとない」と、彼が撮影した驚くべき数の雪の結晶の写真によって、彼は 19 世紀に有名になったが、一部の人々は彼を「気違い農夫」とみなした。 1931年12月23日、ベントレーの故郷で猛吹雪が吹き荒れた。彼は肺炎を患っていたにもかかわらず、雪の結晶を撮影するために歩き出すことを主張した。結局、疲労のため、彼は雪の荒野で倒れてしまいました。

今日、科学者たちは水がどのように凍り、小さな氷の結晶がどのように雪片を形成するかについてある程度理解しています。科学史家たちは、この研究分野における発見は主に「雪マニア」ベントレーが撮影した素晴らしい雪の結晶の写真によってもたらされたと考えています。

（元々は Knowledge is Power、2016 年第 1 号、26-27 ページに掲載されました）

制作：サイエンス・セントラル・キッチン

制作：北京科学技術ニュース |北京科学技術メディア

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