水の中の幽霊と花が2000年にわたる原子力論争に終止符を打った

著者: 田大偉

原子：ファンタジーか現実か？

原子力エネルギーとしても知られる核エネルギーは、人類による原子と核エネルギーの探究から始まりました。しかし、約100年前まで、多くの科学者は原子が存在すると信じていませんでした。

実際、2000年以上前、古代ギリシャの学者デモクリトスは、すべての物質は原子と呼ばれる分割できない小さな粒子で構成されていると信じていました[1]。

しかし、デモクリトスが信じていた原子は無限であり、凹面、凸面、眼鏡状、フック状などさまざまな形をしていました。それらは今日私たちが話している原子とは非常に異なっていましたが、彼の見解は古代ギリシャの原子論の重要な思想的源泉となりました[2]。

（もちろん、原子論を最初に提唱したのはデモクリトスの師であるレウキッポスだという説もありますが、明確な記録がないので、一般的にはデモクリトスの説の方が有力だったと言われています）。

しかし、原子は非常に小さく、誰も原子や分子を見たことはありません。したがって、長い間、原子論は、物質の起源に関する他の理論と同様に、単なる仮説と推測に過ぎませんでした。

ジョン・ドルトンが再び原子論を前面に押し出したのは、それから2000年以上も後のことでした。ドルトンはまた、すべての物質は原子で構成されており、原子は分割できず破壊できないと信じていました。

デモクリトスとは異なり、ドルトンはこの考えを何もないところから思いついたわけではない。蒸留水を研究することによって、彼はすべての水の粒子が他のすべての水の粒子と同じであり、すべての水素の粒子が他のすべての水素の粒子と同じであることを発見しました。

さらに、彼は実験を通じて6つの元素の元素質量を決定し、原子モデルを作成しました。それでも、原子論をめぐる疑問は依然として残っている。これらは単なる推測です。誰も原子を見たことがないのに、原子が実在するものだとどうやって証明できるのでしょうか?

しかし、当時は直接見ることはできなかったため、その存在を証明したければ他の方法を見つける必要がありました。この方法は、偶然の植物観察中に思いつきました。

水に隠れた幽霊

原子の所在を最初に発見したのは、ロバート・ブラウンというスコットランドの植物学者でした。

ブラウンは1827年に顕微鏡でクラークア・プルケラの花粉を観察しました。彼は、外的な力がなくても、花粉の中の小さな粒子が自ら揺れていることを発見しました。この現象はブラウン運動として知られるようになりました。

ここで注目すべきは、多くの科学ポピュラーコンテンツがブラウンが花粉が震えるのを見たと言っていることである。しかし実際には、花粉の粒子サイズはブラウン運動を起こすには大きすぎます。ブラウンの原文では「花の花粉粒からの小さな粒子」と書かれていた。 [3] つまり、振動しているのは花粉の中のより小さな粒子なのです。

当初、人々はこの現象は何らかの生命活動であり、花粉が水と接触すると花粉内部の何かが変化し始めるのだと考えていました。しかし問題は、ブラウンが観察した花粉は20年前に収集されたもので、すでに死んでいるはずなのに、まだ新鮮な花粉のように動いていたことだ。

ブラウンは、この動きは生命活動とは何の関係もないはずだと推測した。これを検証するのは簡単で、ブラウンはガラスの破片からスフィンクスの粉末まで、さまざまな無機物質を発見しました。

これらすべてを水の中に入れると、結果的にすべてが揺れ始めました。これは、これらの小さな粒子の動きの原動力がいかなる生物とも関係がないことを示しています。しかしブラウンは当時、その背後にある本当の原動力が何であるかを知らず、ただ観察ログに結果を記録しただけだった。

この記録のせいで、原子は発見される運命から逃れられないのです。

なぜなら、原子や分子の存在を信じる人々にとって、ブラウン運動は驚くべき発見だったからです。彼らは、この動きは粒子と水分子の衝突の結果であると考えています。

1870 年代初頭から、分子のランダムな動きを利用してブラウン運動を説明し始めた人がいました。しかし、当時の人々は問題を解決できませんでした。小さなピンポン玉がスタジアムほどの大きなボールを押せないのと同じように、粒子の粒子サイズは水分子よりもはるかに大きかったのです。

ブラウンがブラウン運動を発見してから78年後、ついに答えが見つかりました。

アインシュタインの奇跡

この問題を解決したのはアインシュタインでした。さらに、この問題が解決された年は、アインシュタインが大きな進歩を遂げた「1905年、アインシュタインの奇跡の年」でもありました。

この年、アインシュタインは4本の論文を発表した。そのうちの1本は「熱の運動論に必要な静止流体中に浮遊する粒子の運動」であり、ブラウン運動の問題を解決した。

アインシュタインの主張は、一回の衝突では衝撃は生じないが、1秒間に数十億回のランダムな衝突が起こると、顕微鏡で確認できるほどの影響が生じるというものでした。

さらに重要なことは、アインシュタインが粘性と拡散速度に関する理論的知識と実験データを用いてブラウン運動を予測したことです。直径1/1000mmの粒子を17℃の純水中に置くと、1分間の平均変位は6ミクロンになります。

さらに、この論文の中でアインシュタインは原子粒子の大きさを測定する明確な方法も示しました。これは非常に具体的で検証可能な予測です。

それからわずか3年後、フランスの科学者ジャン＝バティスト・ペランがアインシュタインの予想を確認し、原子が実際に存在することを証明しました。この研究により、ペリンは1926年のノーベル物理学賞も受賞した。

この時点で、原子が存在するかどうかという疑問はついに解決されました。しかし、デモクリトスとドルトンはどちらも、原子は分割可能であるという点を間違って推測しました。さらに、科学者が原子を分解し続けると、世界中のあらゆるものを破壊できる力を発見するでしょう。

参考文献:

[1] ケニー、アンソニー（2004）。古代哲学。西洋哲学の新しい歴史。ロール。 1. オックスフォード、英国：オックスフォード大学出版局。 26～28ページ。 0-19-875273-3.

[2] バーナード・プルマン（1998年）。人類の思考の歴史における原子。英国オックスフォード：オックスフォード大学出版局。 31～33ページ。 978-0-19-515040-7.

[3] ロバート・ブラウン：「1827年6月、7月、8月に行われた植物の花粉に含まれる粒子と、有機体と無機体における活性分子の一般的な存在に関する顕微鏡観察の簡単な説明。」哲学雑誌より。バンド4、1905年、161〜173ページ。

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。