電子はどこへ行ったのか

電気はどこから来るのか。発電所で作られた電気が銅線を通って家まで届くということは知っていた。火力発電所では石油や石炭を燃やし、原子力発電所では原子核を分裂させ、水力発電所では高いところから落ちる水を利用する。それぞれ異なるエネルギー源でタービンを回す。タービンにつながった発電機では電磁誘導という現象が起こり、作られた電気は送電線を通じて家庭に届けられる。ここまでは難しくなかった。

ところで、発電所では電子をどこから調達するのか。原子核の周囲にある電子を引き離して、銅線に送り込むのだろうか。そうではなかった。銅線には、すでに自由に動くことのできる電子が存在している。発電機はその電子を新たに作ったり供給したりする装置ではなく、磁場の変化を利用して電圧を発生させる装置だった。では、銅線の中の電子は発電所から私たちの家まで移動するのか。これも違った。家庭で使う交流電気では、電子は主にその場の近くで前後に動いている。発電所の電子が私たちの家まで長い旅をするわけではなかった。

ここで一つのたとえが思い浮かんだ。人々が一列に並んでいる。最後尾の人が前の人を押すと、その人はさらに前の人を押す。そうして先頭まで力が伝わる。人々は遠くまで移動しない。伝わるのは動きの効果だ。電気もそういうものなのだろうか。まったく同じ現象ではないが、電子そのものの長距離移動とエネルギーの伝達を区別するには、適切なたとえだった。実際の電線では、電磁場が重要な役割を果たしている。

そのとき、ずいぶん前に見た映画を思い出した。デンゼル・ワシントンが出演した『悪魔を憐れむ歌』（Fallen, 1998）だった。映画にはアザゼルという悪魔が登場する。彼は人に触れる瞬間、別の人間へと移っていく。宿主が変わっても、悪魔の同一性は保たれる。ローリング・ストーンズの曲 Time Is on My Side が流れていた場面を、今でも覚えている。電気エネルギーもこんなふうに移動するのだろうか。

このたとえを通じて、電子とエネルギーを別々の概念として考え始めた。電子は粒子であり、エネルギーは伝達される。発電所から電子が私たちの家までやって来るのではなく、電子と電磁場の相互作用を通じてエネルギーが伝わるのだ。では、電子は消費されないのか。そのとおりだった。電子は掃除機のモーターを回したからといって消えてしまうわけではない。電子は存在し続け、掃除機は受け取った電気エネルギーを運動と熱に変換する。私たちが電気料金を払うのも、電子の使用料ではなく、電力網を通じて供給されたエネルギーの使用量に対する代金である。ここまで理解すると、新たな疑問が生まれた。エネルギーとは、いったい何なのか。

石油を燃やせば熱が発生する。その熱で水を沸かし、蒸気でタービンを回す。高いところにある水は落下しながらタービンを回し、太陽から届いた光は太陽光パネルで電気エネルギーに変換される。エネルギーは熱になり、運動になり、電気になり、再び光や熱になる。まるでアザゼルのように、姿を変えながら存在しているようだった。では、エネルギーは物質なのか。粒子なのか。それとも物質の内部に入っている何らかの実体なのか。

物理学の説明は予想と違っていた。エネルギーは独立した物質ではなく、物体や場が持つ物理的な状態を表す量だった。動いているボールは運動エネルギーを持ち、高いところにある水は位置エネルギーを持つ。エネルギーという別の物質がその中に入っているからではなく、その物体の運動や位置、相互作用の状態が異なるからである。説明は理解できた。それでも、直感的には納得しにくかった。物質なら形があるはずだと思えた。形がなくても、何かが存在してこそ状態を持つことができるのではないか。

ここで電磁場という概念が登場した。電磁場は電荷を持つ粒子と相互作用し、エネルギーを伝達することができる。さらに驚いたのは、電子の存在しない真空でも電磁波が伝わるという事実だった。太陽の光が宇宙空間を横切って地球まで届くことも、同じ電磁気学で説明される。電気と光は互いにつながった現象だったのだ。では、光を構成する光子とは何なのか。

光子は電子とは異なる。陽子や中性子のように、クォークからなる複合粒子でもない。現在の物理学では、内部構造が発見されていない素粒子に分類される。電子も素粒子だ。アップクォーク、ダウンクォーク、ストレンジクォーク、チャームクォークなども素粒子である。では、素粒子というのは、本当にそれ以上分割できないという意味なのか。それとも、現在の人間の技術では、さらに小さな構造を発見できていないという意味なのか。人類はかつて、原子をそれ以上分割できない存在だと考えていた。その後、原子核と電子を発見し、陽子と中性子の内部にあるクォークも発見した。だとすれば、今は素粒子と呼ばれているものにも、いつか内部構造が発見されるのではないだろうか。その可能性は残されている。超弦理論のように、粒子をさらに根源的な存在の異なる振動状態として説明しようとする試みもある。まだ実験によって確認されたわけではない。

光子を説明する過程では、さらに聞き慣れない言葉が出てきた。「電磁場の量子的励起」。量子化とは何なのか。励起とは何なのか。量子化とは、特定の物理的状態やエネルギーのやり取りが、連続した値ではなく、定められた単位として現れることがあるという意味だった。励起とは、低いエネルギー状態よりも高いエネルギー状態にあるという意味だった。したがって光子は、電磁場の特定の振動状態にエネルギー一単位が加わった量子的状態として理解することができた。ところで、これは自然の究極的な実体なのか。それとも、人間が自然を観察したあとに作り上げた説明の方法なのか。自然現象は人間が発見するよりも前から存在していた。量子化と励起は、その現象を説明するために人間が発展させた概念である。理論が正確な予測を与えるからといって、その理論の表現方法が自然の最終的な姿であるという保証はない。

思考は再び粒子の形へと戻った。電子には質量があるという。その質量はキログラムで表すことができる。非常に小さな数値だが、確かにゼロではない。では、質量を持つ電子はどんな姿をしているのか。現在の物理学は、電子の質量や電荷、スピンなどを精密に測定しているが、固有の空間的な大きさや内部構造は発見していない。質量が存在するという事実が、必ずしも体積や表面の存在を意味するわけではないと説明する。この説明にも疑問は残った。質量という言葉そのものが、私たちに物質の塊や形を思い浮かべさせるからである。

では、素粒子物理学者たちは何を見て粒子の存在を確認するのか。粒子加速器では、粒子を高いエネルギーで衝突させ、その衝突過程で生成された粒子が残した痕跡を分析する。軌跡やエネルギー、運動量などを測定し、その結果から粒子の種類や性質を推論する。私たちが写真や映像で見る線や曲線は、粒子そのものの外形ではなく、粒子が通過するときに残した痕跡、あるいは検出記録を再構成したものである。人間は粒子の顔を見る代わりに、粒子が残した行動を通して、その存在を知っていたのだ。

今日の問いは、電気がどこから来るのかというところから始まった。発電所で電子を作るのかと尋ね、その電子はどこへ移動するのかと尋ねた。電子が消費されないという事実を知ると、エネルギーの正体を尋ねた。エネルギーを理解しようとして電磁場に出会い、電磁場から光子へ、光子から量子化と素粒子へ、そして再び物質の形と質量という問題へと移っていった。まるでソクラテスの問答のように、問いと答えが繰り返された。答えは問いを終わらせなかった。むしろ、それまで考えもしなかった問題を明らかにした。

電子は電気エネルギーを使ったからといって消えることはなく、エネルギーは電磁場を通じて伝達され得るという事実を知った。エネルギーは別個の物質ではなく、物体や場の状態を表す物理量だった。では、エネルギーはなぜ存在するのか。物理的な状態とは、究極的には何なのか。電磁場は自然の最終的な実在なのか。それとも、私たちがまだ発見していない、さらに深い構造の表れなのか。私は今日、電気がどのように流れるのかを調べようとして、結局、物質とエネルギーとは何なのかを問うことになった。ヘラクレイトスは、万物は流転すると言った。今日の問いを通して、私はその言葉を少し違うふうに考えるようになった。万物が流れるのではなく、エネルギーが流れるのではないだろうか。

ところで、エネルギーが流れるのなら、どこからどこへ流れるのか。流れていったエネルギーはどこに残るのか。この問いを追っていくうちに、あまりにも慣れ親しんだ言葉が一つ、再び見知らぬものになった。エネルギーは保存される。学校でも習い、日常でも当たり前のように使う言葉だ。エネルギーは新たに作られたり消えたりすることはなく、形が変わるだけだという。電気エネルギーが運動エネルギーに、運動エネルギーが熱エネルギーに変わっても、エネルギーの総量は保存されるということだ。では、この法則はどこまで証明されているのか。宇宙に存在するすべてのエネルギーが一度も消えたことがないという事実を、人間は確認したのだろうか。

物理学はエネルギー保存則を数多くの実験で検証してきた。粒子同士の衝突でも、化学反応でも、熱と運動の変換でも、保存則は精密に成り立つ。時間に関する物理法則の対称性とエネルギー保存を結びつける数学的な説明もある。一般相対性理論では、局所的なエネルギーと運動量の保存が成り立つ。ところが、膨張する宇宙全体のエネルギーを一つの数値として定義し、常に一定だと言えるわけではない。私たちは実験室で確認した法則を遠い宇宙にも適用する。それには十分な根拠がある科学的な判断だ。では、その法則が宇宙のあらゆる場所で、あらゆる時代に、例外なく成り立つという事実まで確認したのだろうか。この問いは、既存の法則が間違っているという主張ではなかった。私たちが実際に確認したことと、確認した結果に基づいて信じていることとの境界がどこにあるのかを知りたかった。

再び光子を一つ思い浮かべた。完全に密閉された鏡の部屋を作り、その中に光子を一つ放つと仮定してみよう。壁は光子をまったく吸収せず、反射の過程でもエネルギーが失われない。光子はこちらの壁から向こうの壁へ、そして再び向こうの壁からこちらの壁へと移動するだろう。理想的な条件が維持され続けるなら、光子は繰り返し反射され得る。ところが、ここで鏡の部屋を少し違うものにしてみることにした。縦横10メートルの空間に、極端な時間の遅れが生じると仮定するのだ。外部の観測者の時間では、光子が反対側の壁に到達するまでに、なんと1,000億年もかかるとしよう。これは、光子が自分の周囲で光速より遅く動くという意味ではない。重力による時間の遅れを極端に拡大し、光子の移動が外部からは非常に遅く観測されると設定した思考実験である。

ここで100億年が過ぎた。外部の観測者の基準では、光子はまだ反対側の壁に到達していない。鏡で一度も反射されていない。それでも、何らかの方法で光子の存在を確認し続けられると仮定すれば、その光子はまだ鏡の部屋の中に存在している。空間が小さく、観測が可能だという事実が、私たちに確信を与えるのだ。今度は光子を一つ、宇宙空間へ放った。何の物質とも衝突せず、100億年間飛び続けると仮定しよう。光子は出発点から遠く離れているため、私たちはその光子を追跡し続けることができない。では、鏡の部屋の光子と宇宙の光子は何が違うのか。どちらもまだ目的地に到着しておらず、どちらも移動している。一方は近くにあるので観測でき、もう一方は遠すぎて観測できない。

もちろん、二つの空間の物理的条件が完全に同一というわけではない。理想的な鏡の部屋とは異なり、実際の宇宙は膨張しており、重力場も一様ではない。宇宙空間を旅する光子は、膨張に伴う赤方偏移によってエネルギーが減少することもある。しかし、私が比較したかったのは鏡の性質ではなかった。観測できる小さな空間で確認した光子の存在を、観測できない巨大な空間にも同じように適用できるのかという問題だった。

考えは再び、遠い昔の星の光へとつながった。私たちは100億年以上も旅をして地球に届いた光を観測する。では、その光は出発したときの状態をそのまま保っているのだろうか。超新星が爆発し、地球の方向へ光子を100個送り出したと仮定してみよう。地球に届いた光子が100個なのか、99個なのか、50個なのか、私たちはどうすればわかるのだろう。ここでは、地球の方向という条件が重要だ。星の光が四方に広がったため、地球にはごく一部しか届かなかったという話をしたいのではなかった。初めから地球に届くように定められた経路を、光子100個が出発したと仮定したのである。では、そのうち何個が実際に到着したのかを確認できるだろうか。

天文学者たちは光源の本来の明るさを推定し、観測された明るさと比較する。距離によって暗くなる効果、宇宙塵による吸収と散乱、宇宙膨張に伴う赤方偏移などを分析する。超新星の明るさと、独立した方法で測定した距離を比較して、予想外の光子の損失があるかどうかも検証する。このように、観測と理論を照らし合わせる方法は存在する。しかし、出発の瞬間に光子100個を直接数え、100億年後に到着した光子をもう一度数えて、一対一で照合するわけではない。現在の観測は、既知の相互作用と標準的な物理法則によって説明されており、何の理由もなく光子が消滅するという現象は確認されていない。光子は、単に長い時間が経過したという理由だけで消える粒子としては扱われない。だからといって、宇宙を旅するすべての光子の行方を個別に確認したわけでもない。

もう一つ問題があった。光子が消えることと、光子のエネルギーが減少することは同じ現象ではなかった。膨張する宇宙では、光子は物質に吸収されなくても、赤方偏移によってエネルギーが小さくなることがある。光子の波長が長くなれば、そのエネルギーは減少する。では、減少したエネルギーはどこへ行ったのか。一般相対性理論において、膨張する宇宙全体のエネルギー保存を扱う方法は、実験室の閉じた物理系を扱う方法ほど単純ではなかった。結局、最初の問いに戻ってきた。エネルギーは保存されるのか。私たちが知っている物理法則は、そうだと言える十分な根拠を与えている。しかし、宇宙全体を一つの完全な鏡の部屋と考え、その中のすべての光子とエネルギーを漏れなく確認できるわけではない。私たちが観測できる宇宙の範囲と、宇宙全体の境界は同じ概念ではないからである。

これらすべての問いは、新しい小説を構想する過程と結びついていた。『銀河滅亡辞典』の出発点の一つは、きわめて単純な仮定だった。もし光子が一つ、何の相互作用もなく消えたらどうなるだろうか。物質に吸収されたのでもなく、別の粒子に変換されたのでもなく、観測範囲の外へ出たのでもない。既知の物理法則では説明できない形で、光子が一つ、本当に消滅したのである。それは現在の物理学で確認された現象ではなく、小説のために設定した仮定だ。そして、その仮定が事実として確認されたなら、人間が宇宙を理解するために用いてきた重要な法則の一つを、改めて検討しなければならない。

私はここで、光子一つの消滅がどれほど大きなエネルギー損失を引き起こすのかを計算しようとしたのではなかった。光子一つが持つエネルギーは、きわめて小さいかもしれない。その一つが消えたという事実だけで、銀河文明を動かす発電所や宇宙船が直ちに停止するわけではない。私が関心を持ったのは、それほど小さな出来事が、文明の確実性を崩し得るという可能性だった。文明は自ら発見した法則をもとに技術を作り、その技術をもとに社会を組織する。多くの人々は、その法則が成り立つ理由を自分で確かめなくても、その法則に依存して生きている。ところが、すべてが安定して機能していると信じていたある日、光子が一つ消えたという観測結果が現れる。初めは測定の誤りだと考えるかもしれない。装置を交換し、実験を繰り返すだろう。それでも説明できない欠損が確認されたら、どうなるだろうか。

そのとき文明が直面するのは、光子一つの問題ではなく、自分たちが知っていると信じていた宇宙に対する疑問である。その疑問は、科学者たちの研究室だけにとどまらないかもしれない。政府と企業、宗教と報道機関、政治家と市民たちが、それぞれ異なる判断を下し始めるだろう。何を公開し、何を隠すのか。何を危険と判断し、誰を守るのか。原因すらまだわからない現象を前にして、人間はどのような行動を選ぶのか。

『銀河滅亡辞典』は、こうした問いから出発した。光子が一つ消えたという出来事は、銀河文明の土台に小さな亀裂を生じさせる。その亀裂を前にして、人間たちはそれぞれの判断と善意に従って行動する。その選択がどのような結果をもたらすのかは、小説の中で展開される。

今日、私は電気がどこから来るのかを調べようとして、電子とは何なのかを問い、エネルギーとは何なのかを問い、さらにはエネルギーが本当に保存されるのかということまで問うようになった。そして、その問いは再び、ずっと以前から構想してきた小説の出発点へと戻ってきた。初めは光子一つだった。その光子が消えたという事実だけで、銀河全体が崩壊するわけではない。重要なのは、その出来事のあと、人間たちが何を信じ、どのような選択をするかということなのだ。