ハンス・アルヴェーンの「宇宙の電気」
プラズマ科学の先駆者
ハンス・アルヴェーンはプラズマ科学の先駆者として、ノーベル賞を授与されたことでも大変な功績を残した人です。あまり一般には知られていないようです。ビッグバンやブラックホールを支持するホーキング博士などの名前は誰もが一度は耳にしたことがあるはずですが、それとは大きな違いです。しかし、私はホーキング博士などよりもハンス・アルヴェーンのような、どちらかと言えばメインストリームから軽視された方のほうがよほど大切だと思います。難解な数式を駆使して天才的な頭脳で組み立てられた理論も、原因の世界であるスタート地点が間違っていれば、価値ある？妄想にすぎません。電気を無視する宇宙論がまさにそうです。
この「宇宙の電気」は70年以上前に発表されたものですが、 アルヴェーンが電気の重要性に気付いていったプロセスの一端を伺うことができます。ただし、アルヴェーンは太陽は高エネルギーの核反応で動いているという今日でも主流の理論を疑ってはいませんでした。
前回の「『電気的宇宙論Ⅱ』第１章 ── 宇宙の難問」と併せて読んでいただけると嬉しいです。
https://quietsphere.info/electric-universe/宇宙の電気 Electricity in Space by Hannes Alfvén
初出は1948年『新天文学』（第二章第三節、74～79ページ）。第二版は1955年に「サイエンティフィック・アメリカン・ブック」サイモン＆シュスター社から出版された。
［略歴］ハンス・アルヴェーンは、磁気流体力学という新しい学問分野に独創的な貢献をしている。同氏は、宇宙線、基礎エレクトロニクス、オーロラ、地球磁気、太陽黒点、電子管の設計など、さまざまな関連分野で活躍してきた。
1908年、スウェーデンのノルケッティングに生まれ、ウプサラ大学で教育を受けた。
1940年から王立工科大学（ストックホルム）の教授を務める。1995年に死去。
私たちが天空の宇宙について知っていることのほとんどすべては、地上の物理学で学んだ原理を応用して得られたものである。ニュートンの運動の法則、光のスペクトルの研究、原子核の探究など、物理学研究室での大発見は、星の運動、化学組成、温度、エネルギー源など、星に関する知識を深めることに貢献している。
しかし、これまで天文学についてほとんど何も教えてくれなかった物理学の大分野がある。それは"電気"である。地球上では徹底的に研究されてきたこの現象が、天球上ではほとんど役に立たないというのは、むしろ驚くべきことだ。電気は都市を照らしてきたが、星の現象には何の光も当てていない。また、地球を高密度の通信網で結んでいるが、我々を取り巻く宇宙については何の情報も与えていない。
確かに、宇宙では電気現象の証拠をたくさん目にしてきた。ここ数十年の間に、私たちは天空でいくつかの重要な電気的効果を発見した。大きな電流によってのみ引き起こされるような恒星の強力な磁場、太陽や多くの星系から発せられる電波、そして電気を帯びた粒子がとてつもない速さに加速された高エネルギーの宇宙線である。
しかし、これらの現象はいまだに謎に包まれている。星や宇宙でどのように電流が発生し、どのように伝達されるのか、まったくわからない。電気についての知識はたくさんあるが、そのほとんどが電線の中での挙動に基づいている。磁界の中で銅線を動かすことで電気を発生させ、電気エネルギーを運んだり、流したり、使ったりすることができるのは、電線があってこそだ。電気技術者は、金属線を一切使わずに何ができるかと聞かれたら、きっと何も答えないだろう。
しかし、星には電線はない。星はすべて高温のガスでできている。気体中の電流の挙動については、物理学者が多くの研究を行っているが、気体が電気を発生させる手段は知られていない。したがって、星の電気現象は、まったく新しい問題である。
星を実験室に持ち込むことはできない。しかし、星のガス体にほぼ匹敵する媒体で、同等の条件下での電気的挙動を調べることはできる。星には磁場があることがわかっている。また、星の化粧のような非常に高温の白熱したガスが良い電気伝導体であることもわかっている。星の内部では、ガスは非常に高い圧力を受けており、通常の液体よりもはるかに高密度になっている可能性がある。実験室でそのような圧力の気体を扱うことはできないので、液体を使うのが最も近い方法になる。一般的な液体の中で、電気をよく通すのは水銀だけである。
最近、私たちは、水銀を磁場の中に入れて簡単な実験を行い、いくつかの非常に不思議で印象的な結果を観察した。
水銀の"気まぐれな"挙動は誰もが知っている。水銀の入った容器の側面を叩くと、まるで生きているかのように表面が震えたり、波打ったりする。その水銀プールを１万ガウスの強磁場に置くと、一瞬にしてその挙動が変化することを発見した。容器を揺らしても反応せず、例えて言うと表面が硬くなってしまったのだ。磁場は水銀に不思議な粘性を与えた。このことは、曲げた金属線の両端を液体に浸して動かしてみるとよくわかる。通常、水銀の中を引きずった物体は、普通の液体のように簡単に動く。しかし、磁場をかけると、ワイヤーが水銀を引っ張り、プールに大きな波が立った。それは、まるで蜂蜜やシロップの中に棒を通すようなものだった。
この現象は簡単に説明できる。電線とその両端に挟まれた水銀の表面が、電気を通す回路を形成しているのだ。線材を磁界の中で動かすと電流が流れる。電流は必ず磁界を作るので、新しい電流は第二の磁界を作る。これは、二つの磁石が互いに引き合ったり反発したりするように、すでに水銀のプールに加えたものと相互作用する。二つの磁場の間の力は、電流を発生させている運動に対抗する。その結果、ワイヤーはあたかも粘性の高い液体のように水銀に張り付く。
ここでは、さらに注目すべき現象を明らかにした別の実験について考えてみよう。小さなタンクに水銀を入れる。水槽の底は洗濯機の撹拌機のように前後に回転できるようになっている。磁場のないところでは、この撹拌機がゆっくりと振動して、タンクの底の水銀をかき混ぜても、タンクの上部にある水銀の表面を乱すことはない。水銀の分子が互いに滑り合うので、水槽の上にあまり進まないうちに運動が終わってしまうのだ。水面に浮かぶ鏡は完全に静止している。光を当てれば、わずかな動きもわかる。しかし、水槽に強い垂直磁場をかけると、底面の動きがすぐに上面に伝わってしまう。
これは、10年ほど前に理論的に予測されていた新しい波で、今回の実験で初めて発生したものだ。波は、磁力と流体力学の力が結合したものだ。底部の水銀が磁界中を移動すると電流が発生する。磁界を伴った電流は、すぐ上の水銀に機械的な動きをもたらし、それが次の層に作用する新たな電流を生み出す。このようにして、動きは液体の全体に伝わっていく。このような運動の上昇波は、磁気流体力学的波と呼ばれる。これには三つの特徴があり、⑴ 機械的な動き、⑵ 磁界、⑶ 電界が生じる。
それが星とどう関係するのか？ 私たちの水銀モデルは、星の物質の本質的な特性の多くを再現していることを示すことができる。確かに、星の磁場は今回の実験の１万ガウスよりも非常に弱いものだ（太陽の一般的な磁場は１～25ガウスと推定されている）。しかし、私たちの理論では、容器を大きくすれば、より小さな磁場で磁気流体力学的な効果を生み出すことができると考えている。容器の大きさに比例して、必要な磁力は減少する。したがって、たとえば実験容器の100億倍の大きさの星では、磁場は実験室の100億分の１でよいことになる。星の磁場はこれよりはるかに強い。
今回の実験結果は、星の物質のふるまいについて、まったく新しい見方を示している。星の中の気体の動きは、通常の液体や気体に適用される流体力学の法則に従っていると考えられてきた。しかし、水銀モデルのように、磁場が星の濃いガスの性質を劇的に変化させるとすれば、星のガスの挙動は大きく変わるはずだ。通常の液体とは全く異なる振る舞いをすることになる。水銀の磁場中での不思議な振る舞いが、天文学の大きな謎に光を当てることができるかどうかを見てみよう。
太陽黒点を考えてみよう。これほどまでに研究されている天文学的現象はない。太陽の表面を横切る黒点の軌跡を描き、黒点の活動周期と太陽放射への影響を発見し、黒点の光を分析し、黒点のスペクトル線の分裂（いわゆるゼーマン効果）から、黒点が強い磁場を持っていることを知った。しかし、黒点とは何か、どのようにして発生するのか、どのようにして磁場を発生させるのか…… それを説明するのは難しいようだ。かつて黒点は、地球上のサイクロンに似た、太陽大気の大きな渦だと考えられていた。しかし、黒点のガスの動きは、サイクロンの空気の動きとは全く異なる。
水銀モデルで考えると、パズルのピースが揃い始める。太陽の内部では、高エネルギーの核反応により、物質が激しく運動していると考えられる。これは、容器の底にある水銀がかき混ぜられることに対応する。太陽の中心から地表に向かって力線が伸びているように見える太陽の一般的な磁場の中では、これらの運動は磁気流体力学的な波を発生させ、地表に伝わっていく。この波が黒点の強い磁場の原因となる。
前述したように、磁気流体力学的な波は電界も発生させる。このことが、太陽表面で観察される他の現象のいくつかを説明できるかもしれない。実験室の放電管が空気中にコロナ放電を起こすのと同じように、磁力線によって発生した非常に高い電圧は、太陽の大気中に放電する可能性がある。このような放電があれば、太陽のプロミネンスの説明がつく。ピレネー山脈のピク・デュ・ミディやクライマックスの高地天文台で撮影された太陽のプロミネンスの素晴らしい動画は、放電であることを鮮明に印象づけている。
もう一つの大きな謎である太陽の電波ノイズも、この発電方法で説明がつく。ラジオをお聞きの方ならご存知のように、送電線や家電製品など、あらゆる電流がラジオノイズを発生させている。星の中では、磁気流体力学の力によって大きな電流が発生し、それが電波となって宇宙に流れている。
最後に、宇宙線の大きなエネルギーを説明するには、磁気流体力学的プロセスがもっとも妥当であると思われる。宇宙線がどのようにして、時には１億電子ボルトにも達するような素晴らしいエネルギーを持つようになったのかは、天文学の最大の謎のひとつである。既知の（あるいは未知の）核反応では、このようなエネルギーを持つ粒子の発射を説明することはできず、陽子が完全に消滅しても10億電子ボルト以上のエネルギーは得られない。
しかし、実験室の大きな加速器で粒子を加速するのと同じように、宇宙線の粒子が宇宙空間の電場や磁場によって駆動されると仮定すれば、粒子が非常に高いエネルギーに達することは容易に想像できる。星間空間は絶対に空虚ではないことがわかっている。星間空間の物質は非常に薄く、１立方センチメートルあたり平均１個の原子にも満たないが、広大な宇宙の中では膨大な量の物質が存在する。星間物質は、少なくとも一部の地域ではイオン化しており、良好な電気伝導体となっている。さらに（数百万ガウス程度の）弱い磁場が宇宙全体を覆っていると考えるのが妥当であろう。したがって、磁気流体力学的な波が宇宙空間を絶え間なく動き回り、特に星の近くでは、弱いながらも非常に大きな電界が発生していると考えられる。そうだとすれば、電荷を帯びた原子核が電気を帯びた宇宙空間を疾走し、星や惑星の内部では発生し得ないほどのエネルギーを持って地球の大気圏に衝突する様子が想像できる。
最後に1970年12月11日、ハンス・アルヴェーンのノーベル賞授賞式の「プラズマ物理学、宇宙研究、そして太陽系の起源」という講義の最後の部分を引用させていただきます。
「また、私たちが観測している夜空が高緯度であれば、この講演会場の外、おそらくストックホルムの群島にある小さな島の上空にも、宇宙のプラズマであるオーロラを見ることができ、私たちの世界がプラズマから生まれた時のことを思い出すことができるかもしれません。
なぜなら、初めにプラズマがあったからです」
最後までお読みいただきありがとうございました。