偶然のどこが凄いかがわかる本

今週の書物/
『この世界を知るための人類と科学の400万年史』
レナード・ムロディナウ著、水谷淳訳、河出文庫、2020年刊

多面ダイス

先週に引きつづいて、科学史の大著『この世界を知るための人類と科学の400万年史』(レナード・ムロディナウ著、水谷淳訳、河出文庫、2020年刊)をとりあげる。当欄恒例の本文冒頭のまくら代わりに、今回はこの本に出てくる印象深い余話を一つ。

著者にはテレビドラマの脚本家というもう一つの顔があることは前回、すでに書いた。著者が「新スタートレック」の企画会議に出たときのことだ。太陽風という物理現象にかかわる筋書きを提案した。「そのアイデアとそのおおもとにある科学を熱心に細かく説明した」のである。してやったり、という感じか。ところが、プロデューサーの反応は予想外だった。「不可解な表情で一瞬私をにらみつけ、大声で言った。『黙れ、くそインテリ野郎!』」

その場に居合わせた人で物理学の学究は、著者一人。一方、くだんのプロデューサーはニューヨーク市警の刑事出身という人物だった。このエピソードは、科学者の思考様式が俗世間でどう見られているのかを如実に物語っている。ひとことで言えば、面倒くさいヤツだと煙たがられているのだ。著者の本に好感がもてる理由は、著者自身が世間の空気にどっぷり浸かり、自らが煙たがられる立場に身を置いてきた科学者だからだろう。

著者は世俗の事情をよく知っている。だから、科学思考を世俗の関心事と照らしあわせることを忘れない。私がかつて書評した著者の本『たまたま――日常に潜む「偶然」を科学する』(田中三彦訳、ダイヤモンド社)も、そうだった(朝日新聞2009年11月8日朝刊)。そもそも、世情に通じているから「偶然」にこだわるのだろう。この『…400万年史』も、科学がそれぞれの時代、偶然をどう位置づけてきたかを跡づけている。

で、今回は、この本の近現代史部分に的を絞って偶然観の変転を切りだす。それは、劇的だった。脇役がいきなり主役に躍り出たのだ。そこで表題は、先週の「科学のどこが凄いかがわかる本」(当欄2020年11月20日付)の「科学」を「偶然」に置き換えてみた。

最初に登場願いたいのは、アイザック・ニュートンだ。1687年に刊行した著書『プリンキピア』で、この世の物体は三つの運動法則に従うこと、物体には遍く万有引力が働いていることを示した。そこから導かれたのが、方程式通りに変化する決定論の世界観である。

この本では、ニュートン没後の18世紀半ば、物理学者ルジェル・ボスコヴィッチが書き記した見解が引用されている。「力の法則がわかっていて、ある瞬間におけるすべての点の位置と速度と方向がわかれば、そこから必然的に起こるすべての現象を予測できる」。数学者で天文学者のピエール=シモン・ラプラス(1749~1827)が未来の完全予見はありうるとして思い描いた〈ラプラスの魔〉も、同様の見方に支えられていると言えよう。

この世界観を崩したのが、20世紀の量子論だ。本書を参照しながら、その流れをたどろう。まず19世紀末の1900年、マックス・プランクが、エネルギーは1個、2個……と数えられるとする量子仮説を提起した。これに従って、ニールス・ボーアは原子核周辺の電子の軌道半径を「量子化」して考えた。1913年のことだ。電子は「許されるある軌道から別の軌道へ跳び移る」のであり、このときに「エネルギーを『塊』として失う」とみたのだ。

ボーアの理論は、裏返せば「電子が原子核へ向かって連続的に落ちていってエネルギーを失うことは不可能」(太字に傍点、以下の引用でも)ということだ。これは、ニュートン物理学と相容れない。なによりも、惑星や衛星の運動とまったく違うではないか。たとえば、人工衛星が落下するときは緩やかに弧を描いて高度を落としてくる。ところが、電子はぴょんと跳ぶというのだ。軌道から軌道へ移る間、それはいったいどこに存在するのか?

この問題を驚くべき発想で解決したのが、ヴェルナー・ハイゼンベルクだ。前提として受け入れたのは、電子の居場所はニュートン物理が対象とする天体や振り子のようには観測できない、ということだ。「位置や速さ、経路や軌道という古典的な概念が原子のレベルでは観測不可能だとしたら、それらの概念に基づいて原子などの系の科学を構築しようとするのはやめるべきかもしれない」――こうして1925年、量子力学を築いたのである。

その量子力学では、電子がエネルギーを失うときに放たれる光の色(振動数)や強さ(振幅)といった観測可能量だけをもとに数の行列(マトリクス)を組み立てる。理論から「イメージできる電子軌道」を外して「純粋に数学的な存在」に仕立て直したのだ。

余談になるが、ここらあたりは、学生たちが授業で量子力学を教わるときに最初につまずくところだ。物理学を学んでいるはずなのに数学の勉強を強いられる。数学が苦手な若者は、ここで物理世界に分け入る道を遮断されてしまう。私もその一人だった。ただ、この場を借りて私見を述べさせてもらえば、そこで諦めてしまうのは残念なことだ。数式をきちんと読めなくとも量子世界の空気は感じとれる。それは、世界観を豊かにしてくれる。

数学ずくめに不満な学生にとっては、助け舟もある。それを用意してくれたのが、量子力学のもう一人の建設者とされるエルヴィン・シュレーディンガーだ。彼は、ハイゼンベルクが行列で表した力学を、別のかたちで表現した。波動方程式である。波のイメージは、ニュートン物理の世界像にまだ囚われていた学界に受け入れられやすかったことが、この本からもわかる。学者でなければなおさらだ。私も波のイメージにだいぶ助けられた。

ハイゼンベルクも黙ってはいなかった。1927年、「古典的なイメージ」に追撃を加える。「不確定性原理」と呼ばれるものだ。それによれば「物体は位置や速度といった正確な性質は持っておらず」、位置と速度は「一方を精確に測定すればするほどもう一方の測定精度は落ちてしまう」関係にあるという。これは技術の限界ではなく、物理そのものの制約だ。「ニュートンのように運動をイメージするのは無駄」とダメを押したのである。

量子力学が教えてくれるのは、「これらのうちのどれかが起こる」ということだ。そこには「確率しか存在しない」と言ってもいい。「この宇宙は巨大なビンゴゲームのようなもの」――そんな世界像を量子論は示した、と著者は言う。ラプラスの魔はいなかったのだ。フィリップ・K・ディックのSF作品『偶然世界』(小尾芙佐訳、ハヤカワ文庫SF)が思いだされる(「本読み by chance」2020年3月20日付「ディックSFを読んでのカジノ考」)。

近代人は長くニュートン流の決定論を信じてきた。いや、今でもふつうには信じている。この本にも言及があるように、地震は予知できるという見方があるのも、社会科学者が未来予測に憧れるのも、この通念に根ざしている。ところが20世紀物理学は、決定論の方程式は限られた範囲だけで通用するものであり、世界の根底には偶然をはらんだ方程式があるらしいという見方にたどり着いたのだ。「偶然」の勝利である。

で、ここで著者は、またまた父を登場させる。ナチスがユダヤ人を整列させていたときのことだ。父はたまたま、列の後尾に並んでいた。親衛隊士官は、必要なのはユダヤ人3000人だとして、父を含む4人だけを切り離して連れ去った。3000人は墓掘りを強いられたうえ銃殺されたという。それは「父にとっては理解しがたい偶然だった」。この体験のせいか、父は後年、著者が語る量子論の不確定性を「容易に受け入れてくれた」そうだ。

最後に付け足しになってしまうが、著者が立派なのは、自らの専門分野を離れて生物学系の科学史にも踏み込んでいることだ。ここでは、著者がページを割いて詳述しているのが19世紀半ばに登場したチャールズ・ダーウィンの進化論であることに注目したい。

ダーウィンによれば、生物は「ランダムな変異と自然選択」によって進化する。考えてみれば、そこにある自然観も量子力学同様、アリストテレスの目的論やニュートンの決定論になじまない。偶然は凄いのだ。この本を読み切って、その思いを改めて強くする。
(執筆撮影・尾関章)
=2020年11月27日公開、通算550回
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科学のどこが凄いかがわかる本

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『この世界を知るための人類と科学の400万年史』
レナード・ムロディナウ著、水谷淳訳、河出文庫、2020年刊

斜面

若かったころの私的な思い出を一つ打ち明けると、大学の卒論研究はニュートンだった。私がいた学部学科に科学史の研究室はなかったが、それでも物理学の歴史に関心があった。定年間近の老教授が好きな卒論テーマを選んでよいというので、その言葉に甘えたのだ。

手にとったのは、アイザック・ニュートン著『プリンキピア』(自然哲学の数学的原理)の英語版。もともとラテン語で書かれた本だから、原著ではない。これを図書館で閲覧して――借りたような気もするが――要所を複写した。どこに的を絞ったかと言えば、ニュートンが万有引力を遠隔作用ととらえた点だ。力は媒質によって伝わる近接作用だとする従来の見方を塗りかえるものだった。そこに至る思考の足跡をたどろうとしたのである。

学部学生が古典の大著をかじっただけでまとめた考察だから高が知れている。ただ私自身にとっては、ニュートンが近接作用論に執拗な反駁を加えていることが大きな発見だった。当時は近接作用を前提とする宇宙観が広まっていたが、それにノーを突きつけたのだ。

遠隔作用論と近接作用論の確執はその後も続く。18~19世紀はニュートン力学が地歩を固め、前者優勢の様相があったが、20世紀に入ると相対性理論も量子力学も「場」という概念を取り込んで後者の立場をとるようになった。

科学とは、ものの見方を変えていく営みなのだ、とつくづく思う。で今週は、科学史のダイナミズムを見せつけてくれる1冊を紹介する。

『この世界を知るための人類と科学の400万年史』(レナード・ムロディナウ著、水谷淳訳、河出文庫、2020年刊)。著者は1954年、米国シカゴ生まれ。量子力学の理論を専門とする物理学者でありながら、テレビドラマの脚本家でもある人だ。略歴欄にはドラマの代表作として「新スタートレック」「冒険野郎マクガイバー」の名が挙がっている。本書は原著出版が2015年。邦訳の単行本は翌16年、河出書房新社から出ている。

この1冊を私が手にとったのは、この著者の本なら期待を裏切らない、という確信があったからだ。かつて新聞の読書面で、同じ著者の『たまたま――日常に潜む「偶然」を科学する』(田中三彦訳、ダイヤモンド社)という本を書評した(朝日新聞2009年11月8日朝刊)。そのときに印象に残ったのは、著者が現代科学で重みが増した「偶然」について物理学者として語りながら、それに自分自身の家族史を重ねあわせていたことだ。

著者のウェブサイトに入ると、その家族史がわかる。父も母も、ナチスによるユダヤ人迫害で収容所に送られながら、大虐殺は免れた。とくに父は、ユダヤ人地下活動の指導者の一人だったという。二人は、いくつもの偶然のおかげで生き延び、出会い、そして著者が生まれたのだ。私は『たまたま』の書評で「歴史の大波と偶発事の小波が重なって人々の生をもてあそんだ現実が、この本の偶然観に深みを与えている」と書いた。

今回の『…400万年史』にも、父の話がしばしば出てくる。いや、著者が心のなかで父と対話を重ねながらまとめたのがこの本だ、と言ってもよいだろう。「知りたいという欲求」と題された第1章も、父から聞いたという収容所のエピソードから書きだされる。

父は円周率πも知らないような人だったが、ある日、収容所仲間の一人から数学のパズルを出題される。何日も頭をしぼったが解けない。聞いても答えを教えてくれないので、とうとう別の仲間にパンを譲り分けて、正解を手に入れたというのだ。支給されるパンが命綱だったころの話だ。「知りたいという欲求」はそんなに強いのか。著者は、自身の「この世界を理解したいという情熱」も結局は「父と同じ衝動に突き動かされている」と思い至る。

著者が理系に進んでからのことだ。父は、科学の話題になると「その理論がどうしてできたのか」「なぜそれを美しいと感じるのか」「我々人間にとってどういう意味があるのか」と質問攻めにしてきたという。専門知識よりも「おおもとの意味」に興味津々だったらしい。

ここからわかるのは、著者の内面には父親譲りの知的探究心が息づいていることだ。だから、この本が描いているのは、ものの見方としての科学の歴史であり、実益本位のそれではない。原題は“The Upright Thinkers: The Human Journey from Living in Trees to Understanding the Cosmos”。ちょっと強引に訳せば「直立〈考〉人――樹上生活者が宇宙を理解するまでの人類の長い旅」ということになろうか。〈考〉が大事なのだ。

では、この本が人類のものの見方の移ろいをどう描いているのか、大筋を見ていこう。著者は近代科学の原点を、古代ギリシャのアリストテレスの世界観を吹っ切るところに見いだしている。アリストテレスは、宇宙を「生態系のようなもの」ととらえた。「目的」の重視だ。雨降りは植物が育つため、植物の生長は動物の食べものになるため……。動物の動きも「ウマは荷馬車を走らせるため」「ヤギは餌を探すため」という具合だった。

近代科学はこうした目的論を否定する。この本によれば、兆しは中世の14世紀、英オックスフォード大学の数学者が見つけた「史上初の定量的な運動の法則」にある。カレッジ名から「マートン則」と呼ばれる。今風に言えば「自動車を速さゼロから時速一〇〇キロまで一定の割合で加速させると、ずっと時速五〇キロで走っていたのと同じ距離だけ進む」ということだ。この法則はすべての物質の運動に遍く適用できるので、目的論になじまない。

中世が過ぎると、反アリストテレスの流れは強まる。16世紀半ばに生を受けたガリレオ・ガリレイは、アリストテレスの理論が「観察」から導きだされていることが不満だった。裏返せば「実験」を重んじたのだ。そこには、受け身ではない探究の姿勢がある。

たとえば、落下運動。アリストテレスの見方では、物体はその重さに比例して決まる一定の速さで落ちていく。これは「石は葉っぱよりも速く落ちる」という観察結果にも合っている。一方で、私たちは直観で「物体は落下するにつれて速さが増す」と感じている。この相反する2説を吟味するのに、ガリレオは実験という手法を選んだ。その結果、落下の速さは重さによらず、どの物体も一定の加速度で落ちていくことがわかったのだ。

ガリレオの実験は、重さの異なる金属球を真下に落とすものではなかった。斜面に転がしたのだ。これなら「運動をゆっくりにして」測れる。摩擦という「基本法則の単純さを見えにくくするもの」も小さくできる。さらに見事なのは、斜面の実験を垂直方向の落下の検証につなげる論理だ。「傾斜をどんどん急にしていっても同じ性質が成り立つ」ことを見てとって、斜面を90度に直立させたときも同様だろうと見極めている。

ガリレオは、法則が見えやすい物理系を自ら設計した。それを調べることで、生態系のように複雑なアリストテレス的世界に潜む単純明快なしくみを突きとめたのだ。そのしくみを理論体系にまとめたのがアイザック・ニュートンだ。著者は、ガリレオとニュートンが「現実世界に存在する無数の複雑な要因を見抜いてそれらを削ぎ落とし、もっと基本的なレベルで作用する簡潔な法則を白日のもとにさらした」と称賛している。

以上の流れを追うと、近代科学はギリシャ哲学に反旗を翻したようにも見える。だが、そうではない。著者は、ギリシャの先哲のうちタレスやピタゴラスにも言及している。前者は「自然は秩序立った法則に従う」と述べ、後者は「自然は数学的法則に従う」(「数学的」に傍点)と断じた。これは、理系ギリシャ哲学のもう一つの柱と言えよう。マートン則の定量志向はガリレオやニュートンに受け継がれたが、その水源はここにあったとも言える。

欧州史は、古代ギリシャ・ローマ時代から中世を経て、ルネサンスによって古代の良さを再発見するという道筋で概観されることが多い。この見方は、絵画や彫刻、建築には通用するだろう。だが、科学史はもうちょっと複雑だ。近代科学はギリシャの叡智に導かれつつも、その呪縛を振りほどこうとして産声をあげたのである。今回は、この大著をひとかじりしただけで字数が尽きた。次回は同じ本を別の視点から読み込んでみよう。
(執筆撮影・尾関章)
=2020年11月20日公開、通算549回
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