ハンス・アルヴェーンのノーベル賞受賞スピーチ
アルヴェーン、実験に基づいた洞察力と創造的な直感の飛躍
電気宇宙論で、たびたび引き合いに出されるハンス・アルヴェーンのノーベル賞受賞スピーチ。以前から興味があって紹介したいなと思っていたものです。
自分なりに何か概略か何か書こうと思って考えたんですが、ウォル・ソーンヒルとアンソニー・ペラットさんに語っていただくのが一番いいだろうということで、二人のハンス・アルヴェーンについて書かれたものを入れることにしました。
ビッグバンにかわる壮大な宇宙論を提案したアルヴェーン（ソーンヒル）
電気宇宙論のソーンヒル氏は『赤い長方形星雲での天体物理学の危機』 の中で、ハンス・アルヴェーンについて最初に触れています。（以下、引用）
「1970年、”プラズマ物理学の父”と呼ばれるハンス・アルヴェーンは、宇宙論が危機に瀕していると警告した。それは、目に見える宇宙の約99.9%を占めるプラズマを、磁化可能な気体として扱うことに言及していた。アルヴェーンは、”磁気流体力学（MHD）”と呼ばれる理論を提唱した人物である。しかし、彼は1970年のノーベル賞受賞スピーチで、宇宙プラズマへの適用を公に否定している。
『現在の宇宙プラズマ物理学は、熱核融合研究の物理学よりもはるかに遅れています。実験室でプラズマを見たことのない理論家の遊び場になっているところがあります。彼らの多くは、実験で間違っていることがわかっている公式をいまだに信じています。熱核反応の危機に対する宇宙物理学的な対応（一致）はまだできていません』
（３. プラズマ物理とその応用より）
しかし、宇宙物理学者はそれを知りたがらなかった。MHDは、いわゆる”太陽の動力源”である核融合発電を利用しようとする際に発見されるプラズマの複雑な挙動に比べて、彼らの理論的研究を容易にするものだった。プラズマの本当の挙動を知らなければ、核融合発電と同じように、理論と現実が乖離してしまうのは確実だったのである。
実際、それぞれの専門家集団が他方の専門家集団の過ちを助長した。これは、今日の組織化された科学に共通する状況である。天体物理学者は核物理学者に太陽が内部で動力を得ていると誤解させ、核物理学者は太陽の仮説的な熱核エンジンを模倣しようとして失敗した。核物理学者たちは、太陽の内部で安定した熱核反応が可能であると宇宙物理学者たちに誤解させてしまった。その結果、伝導や対流ではなく放射によって内部の熱を伝達するという、他にはない奇妙な天体になってしまったにもかかわらず。しかも太陽は、中心部と大気圏上部の組成がほぼ同じであると想定されている天体なのだ。明らかに理論的には”死の抱擁”だった。
アルヴェーンは優秀な異端児と考えられていた。ビッグバン宇宙論のコンセンサスに反発し、我々は”電気の宇宙”に住んでいると主張したのである。彼は、磁場を発生させ維持するために必要な宇宙の電気回路を考慮せずに、宇宙の磁気を扱うだけでは十分ではないと主張した。しかし、天文学の本には、電気や回路について書かれたものはない。後世の科学史家は、これを”平らな地球”と同じように、合理的な理解を超えたものと考えるだろう。天文学は、ガス燈時代の科学に縛られて、宇宙時代を生きている。私たちの星のモデルは、古代の天空の”キャンプファイヤー”のモデルとほとんど変わらない。燃料が違うだけである。
アルヴェーンの演説から37年が経過し、天体物理学的な危機が明らかになりつつある。補償光学や宇宙望遠鏡のおかげで、星や星雲、銀河がより鮮明に見えるようになったが、理論家たちはそれらを説明するのに苦労している。彼らのモデルが機能していないことに軽い懸念を示す人もいる。しかし、誰も深刻な危機に直面していることを認識していない。パラダイムシフトが始まる前には、否定、矮小化、不明瞭化が予想される。４月13日発行のScience誌に掲載された２つのレポートは、この状況を浮き彫りにしている……」
https://quietsphere.info/electric-universe/
ハンス・アルヴェーンの”略歴”（アンソニー・ペラット）
また、アンソニー・ペラットは『プラズマ反体制派の最古参者（長老）』の中で、ハンス・アルヴェーンについて書いています。その当時の時代背景やアルヴェーンの革新性について知ることができます。以下、引用します。
1970年にノーベル物理学賞を受賞し、20世紀における創造的で直感的な知性の一人として認められているハンス・アルヴェーンは、1995年４月２日夜、スウェーデンのストックホルムで静かに亡くなった。享年86歳だった。
専門的な科学の世界では、アルヴェーンは謎に包まれていた。多くの物理学者から異端視されていたが、物理学への貢献は、今日、粒子ビーム加速器の開発、制御された熱核融合、極超音速飛行、ロケット推進、再突入した宇宙船の制動などに応用されている。一方、宇宙科学の分野では、バンアレン放射帯、磁気嵐時の地球磁場の減少、磁気圏（地球を取り巻くプラズマの保護膜）、彗星の尾の形成、太陽系の形成、銀河系内のプラズマの力学、宇宙の基本的な性質などを説明している。
アルヴェーンは、1963年に宇宙の大規模なフィラメント構造を初めて予測した。この発見は、1991年に天体物理学者たちを困惑させ、ビッグバン宇宙論の苦境に拍車をかけた。アルヴェーンは、プラズマ物理学、荷電粒子ビームの物理学、惑星間・磁気圏物理学など、現代物理学の分野の発展に中心的な役割を果たしてきた。彼はまた、磁気流体力学として知られるプラズマ物理学の一分野の生みの親であると考えられている。
さらに、アルヴェーンの宇宙物理学への貢献は、物理学への貢献と同様に重要である。1937年に発表した銀河磁場の仮定は、今日、宇宙物理学で最も急速に成長している研究分野のひとつである”宇宙磁気”の基礎となっている。1950年、アルヴェーンは同僚の N. ヘルロフソンと共同で、天体からの非熱的な放射が、磁場の存在下で高速で運動する電子から発生するシンクロトロン放射であることを世界で初めて明らかにした。電波望遠鏡で観測される放射線のほとんどがこの放射光によるものであることから、天体における放射光のメカニズムが重要であるという認識は、宇宙物理学において最も実りあるもののひとつとなった。
このように物理学や宇宙物理学に多大な貢献をしたにもかかわらず、1991年にカリフォルニア大学サンディエゴ校の電気工学教授、王立工科大学ストックホルム校のプラズマ物理学教授を退任したアルヴェーンは、物理学や宇宙物理学の分野では異端児とみなされていた。天体物理学やプラズマ物理学におけるアルヴェーンの理論は、発表されてから2, 30年も経って受け入れられるのが常である。特徴的なのは、1988年に80歳の誕生日を迎えたアルヴェーンが、その30年前に彗星と太陽系内のプラズマに関する研究で、アメリカ地球物理学連合の最も権威ある賞、ボウイメダルを受賞したことである。彼の太陽系に関する理論の多くは、30年間にわたって論争されてきたが、1980年代になって、人工衛星や宇宙探査機による彗星や惑星の磁気圏の測定によって、ようやくその正当性が証明された。
アルヴェーンの生涯にわたる業績は、王立天文学会ゴールドメダル（1967年）、ノーベル物理学賞（1970年）、フランクリン研究所ゴールドメダル（1971年）、ソビエト連邦科学アカデミーのロモノソフメダル（1971年）など、世界的に認められている。また、電気電子学会（終身名誉会員）、欧州物理学会、スウェーデン王立アカデミー、スウェーデン工学科学アカデミー、アメリカ芸術科学アカデミー、ユーゴスラビア科学アカデミーなど、いくつかのアカデミーや研究機関が彼の名前を会員名簿に掲載している。また、アメリカとソ連の両科学アカデミーの外国人会員である数少ない科学者の一人でもある。
アルヴェーンは世界各地からこのような特別な栄誉を受け、多くの科学雑誌が彼の80歳の誕生日を記念して特集号を組んだが、彼のキャリアのほとんどにおいて、アルヴェーンのアイデアは否定されたり、見下されて扱われたりした。彼はしばしば無名の雑誌に論文を発表することを余儀なくされ、宇宙物理学で最も有名な上級科学者であるイギリス系アメリカ人の地球物理学者、シドニー・チャップマンからも長年にわたって彼の研究に異議を唱えられ続けていた。現在の物理学者の間でも、アルヴェーンの多くの貢献はあまり知られておらず、物理学の分野では誰が考えたかわからないままアルヴェーンのアイデアが使われている。
アルヴェーンは、今世紀に入って科学の専門化が進んだことを指摘し、彼のアイデアに対する抵抗を説明しようとした。
「かつて自然哲学という学問があったことを忘れてはならない」と1986年に語っている。
「残念ながら、この学問は今日では存在しないようだ。それは科学と改名されましたが、今日の科学は自然哲学の側面の多くを失う危険性があります」
このような変化の原因として、アルヴェーンは、縄張り意識、貪欲、未知への恐怖があると考えた。
「科学者は、自分の領域に学際的な調査をすることに抵抗する傾向がある。多くの場合、このような偏狭な考え方は、他の分野からの侵入が限られた財源を不当に奪い合い、自分たちの研究の機会を奪うことになるのではないかという恐れに基づいている」
教育面（履歴）
ハンス・オロフ・ゴスタ・アルヴェーンは、1908年５月30日にスウェーデンのノルコルピングで生まれた。1934年、ウプサラ大学で博士号を取得。学位論文のタイトルは “超短電磁波 Ultra-short Electromagnetic Waves の研究"。同年、ウプサラ大学とストックホルムのノーベル物理学研究所で物理学の博士号を取得した。
1940年には、ストックホルム王立工科大学の電磁理論と電気計測の教授に就任した。
1945年には同研究所に新設された電子工学講座に選出され、1963年にはプラズマ物理学講座に改称された。
1967年、アルヴェーンはスウェーデンの核研究プログラムを厳しく非難し、熱核エネルギーの平和利用に関するプロジェクトへの資金が不足していると考え、「私の仕事はもはやこの国では望まれていない」と言って去っていった。彼にはすぐにソ連とアメリカの両方で椅子が与えられた。ソ連で２カ月過ごした後、アメリカに渡り、南カリフォルニアにある２つの大学、ラホーヤにあるカリフォルニア大学サンディエゴ校と南カリフォルニア大学の電気工学科で教授（※ここの文章は？です。共同教授に就任したという意味だと思います）。アメリカに渡ってすぐに、スウェーデン政府と和解した。10月から３月まではラホーヤで、４月から９月まではストックホルムで、カリフォルニアとスウェーデンを交互に行き来しながら余生を過ごした。
アルヴェーンの物理学へのアプローチ
アルヴェーンの物理学へのアプローチは、洞察力と直観力に基づいていた。彼は自然の仕組みを素早く理解し、新しい観察結果を、その観察結果自体を説明するのに必要な枠組みよりも大きな枠組みに当てはめることができた。例えば、1930年代初頭、宇宙線は宇宙全体を満たしているガンマ線だと考えられていた。しかし、宇宙線が荷電粒子であることが発見されると、アルヴェーンは1937年に、銀河系には大規模な磁場があり、宇宙線はその磁場の力を受けて銀河系内で渦巻き状の軌道を描いているという斬新な提案をした。彼は、銀河系全体にプラズマが広がっていれば、銀河系全体に磁場が存在することになると主張した。このプラズマが電流を運び、それが銀河の磁場を作るのだと。
このような仮説は、創造的な直感の飛躍に基づくものであるが、明らかに合理的な思考や推論の根拠がないため、アルヴェーンの提案は多くの批判を受けた。彼の理論は、星間空間は真空であることが知られており、彼が提案している電流や粒子ビームを支えることはできないという理由で否定された。しかし、アルヴェーンは、1980年代から1990年代にかけて流行することになるアイデアを科学界に提案したのである。
アルヴェーンの磁気流体波 hydromagnetic waves の発見は、独創的なアイデアが学際的な科学に多大な影響を与えたもう一つの例である。アルヴェーンは、純粋に物理的な根拠に基づいて、電磁波は、太陽のイオン化ガスのような高伝導性の媒体や、どこにでもあるプラズマの中を伝搬すると結論づけた。しかし、アルヴェーンが発見を発表した1942年当時、マクスウェルの電磁気学の理論は、教科書の教育や工学的な応用の対象として確立されたものだった。電磁波は、導体の中をごく短い距離だけ進むことができ、導体の抵抗が小さくなると、電磁波の伝わる深さがゼロになることは、”よく知られている”ことだった。つまり、理想的な導電体であれば、電磁波の侵入はあり得ないということだ。しかし、アルヴェーンは、完全な導体の中を、減衰も反射もなく伝搬する電磁波を提案していた。アルヴェーンの発見は「そんな波ができるなら、マクスウェル自身が発見しているだろう」などと、一般には否定されてしまった。アルヴェーンの発見が正しく、重要なものであると認識されたのは、それから６年後、アルヴェーンが初めてアメリカを訪れた際に、流体力学的な波についていくつかの講義を行ったときだった。アリゾナ大学のアレックス・デスラー教授は、権威ある学術誌”ジオフィジカル・リサーチ・レターズ”の元編集者であるが、彼はこの出来事を単純化して語っている。
「アルヴェーンはシカゴ大学で講義を行い、そこにはエンリコ・フェルミも出席していた。アルヴェーンが自分の研究を説明すると、フェルミは『もちろんだ』とうなずいた。
翌日、物理学の世界全体がこう言った。『ああ、もちろん Oh. of course』」
アルヴェーン対チャップマン
アルヴェーンが惑星間物理学や磁気圏物理学の分野で活躍するようになったのは、それとは反対の見解が主流だった時代である。アルヴェーンの見解は、磁気圏物理学の創始者であるノルウェーの偉大な科学者、クリスティアン・ビルケランドの見解と一致していた。19世紀末、ビルケランドは、理論、実験、極地遠征、世界各地に設置した磁場観測所などを駆使して、オーロラや極地磁気擾乱の原因は、地球の磁場に沿って大気中に流れ込む電流であるという説得力のある説を唱えていた。
しかし、1917年にビルケランドが亡くなってからの数十年間は、チャップマンが惑星間・磁気圏物理学の第一人者として認められていた。チャップマンは、ビルケランドの考えとは逆に、電流は電離層の中だけを流れ、下降電流はないという理論を提唱した。チャップマンの理論は数学的にも非常にエレガントで、ビルケランド理論に代わって広く受け入れられた。チャップマンの理論に基づけば、電離層電流システムの代数的な表現は、この分野の学生であれば誰でも数学的な厳密さをもって導き出すことができる。ビルケランドの理論は、チャップマンの理論が優勢になった後に参加したハンス・アルヴェーンがいなければ、完全に衰退していたかもしれない。アルヴェーンは、電離層電流の多くは地球の磁力線に沿った下降電流で駆動されるべきであるから、ビルケランドの電流システムの方が理にかなっていると主張し続けた。この問題に決着がついたのは、チャップマンの死から４年後の1974年、地球の人工衛星が初めて下降電流を観測したときだった。
この話は、アルヴェーンの科学者としてのキャリアの中で直面した困難の典型である。惑星間空間は、時折彗星に邪魔される程度の良好な真空状態であると一般に考えられていた。これは、光学波長の望遠鏡でしか見たことのない宇宙が”そう見える”ということで、広く受け入れられていた。
一方、アルヴェーンが提案した電流は、電磁スペクトルの中でも電波の部分でのみ特徴的な信号を発生し、まだ観測されていなかった。そのため、宇宙に電流があるというアルヴェーンの提案は、非常に懐疑的に受け止められた。
1939年、アルヴェーンは磁気嵐とオーロラに関する驚くべき理論を発表した。この理論は、現代の地球磁気圏におけるプラズマ・ダイナミクスの理論に広く影響を与えている。彼は、電荷が磁場の中で螺旋状に動くという概念を用いて、電子やイオンの運動を計算した。この方法はプラズマ物理学者の間で普遍的に採用され、1970年代半ばに面倒な作業がコンピューターに任されるまで使われ続けた。しかし、1939年にアルヴェーンがアメリカの有力雑誌”地磁気と大気電気”に投稿した論文は、チャップマンらの理論計算と一致しないという理由で却下されてしまった。アルヴェーンは、この画期的な論文を、世界中の科学者が読めないスウェーデン語の雑誌で発表することを余儀なくされた。このような制限は、アルヴェーンの他の重要な論文にも課せられた。
科学の世界では、ひとつやふたつの大きな発見によって、その著者が大きな影響力を持つ第一人者となり、その後も継続して資金を提供されるのが普通である。しかし、アルヴェーンの場合はそうではなかった。ノーベル賞を受賞する前の彼の科学者としてのキャリアの中で、彼の研究を利用していた科学界の人々から、革新的なリーダーとして認識されていたことは一度もなかった。
デスラーは、アルヴェーンの貢献が見落とされていることに気づいたと書いている。
「1956年に宇宙物理学の分野に入ったとき、私は、例えば、宇宙の高伝導性プラズマに電界は存在しないと信じていた人たちと一緒にいたことを思い出す。S. チャンドラセカールに恥をかかされて、アルヴェーンの仕事を客観的に調べるようになったのは、その３年後のことです。アルヴェーンが正しく、彼の批判者が間違っていることを知ったときの私の衝撃と驚きは、言葉では言い表せません。私は、1949年にフェルミが提案した有名なメカニズムと基本的に同じ宇宙線加速メカニズムが、［以前に］アルヴェーンによって提唱されていたことを知ったのです」
アルヴェーンと宇宙物理学
アルヴェーンの考えは、一般的に受け入れられている”標準”理論と対立することが多かったため、特に英米の天体物理学雑誌で行われている査読システムとは常に問題があった。
「私はソ連の天体物理学雑誌で出版するのに問題はない」。アルヴェーンはかつてこう明かした。
「しかし、私の研究はアメリカの天体物理学の雑誌では受け入れられない」と。
実際、彼は科学雑誌で上級科学者がほぼ自動的に採用されるような経験はしていない。
「天体物理学のような分野で革命が起きているときには、体制側が現状を維持しようとするので、査読システムは静止しているときには満足できるが、そうではない」とアルヴェーンは説明している。
アルヴェーンの研究が宇宙物理学で軽視されている理由の一つは、アルヴェーンが自分自身を何よりもまず電力技術者と考え、他の宇宙論者や理論家から宇宙物理学への侵入を非難されるのをむしろ楽しんでいたからかもしれない。プラズマ物理学は伝統的に宇宙物理学の中で軽視されてきたとアルヴェーンは断言した。
「天体物理学の教科書を使っている学生は、半世紀前から知られているものもあるにもかかわらず、プラズマの概念の存在すら基本的に知らないままです」と彼は異議を唱えた。
「結論としては、宇宙物理学は、これらの教科書から主要な知識を得た宇宙物理学者の手に委ねるには、あまりにも重要過ぎる（※委ねることは出来ないという意味の婉曲表現）ということです。地球や宇宙望遠鏡のデータは、実験室や磁気圏の物理学や回路理論、そしてもちろん現代のプラズマ理論に精通した科学者が扱わなければならない」
アルヴェーン対ビッグバン
アルヴェーンらは、プラズマ物理学に基づいて、定常宇宙論やビッグバン宇宙論に代わる宇宙論を30年にわたって提唱してきた。ビッグバン宇宙論は30年近くの間、ほとんどの宇宙物理学者に支持されてきたが、特にこの10年間の新たな観測結果によって、ビッグバン宇宙論は疑問視されている。特に、何億光年もの長さの銀河のコヒーレントな構造の発見や、秒速1,000kmに迫る速度で銀河のスーパークラスターが大規模に流れていることは、ビッグバン理論との整合性をとることが不可能ではないにしても、困難な問題である。
アルヴェーンにとって、この問題は驚くべきことではなかった。
「重力に支配されたビッグバンの滑らかで均質な宇宙から、プラズマプロセスの影響を強く受けた現在の極めて塊状で不均質 heterogeneous な宇宙が得られるとは思ってもみませんでした」
アルヴェーンは、ビッグバンの問題は、科学界が何十年も誤って受け入れてきたチャップマンの理論の問題と似ていると考えた。天体物理学者は、黒板の上で作られた数学的理論から宇宙の起源を推定しようとしすぎたのだ。アルヴェーンは、ビッグバンの魅力は、科学的というよりもイデオロギー的なものだったと言います。
「人間が宇宙について考えるとき、神話的なアプローチと経験的な科学的アプローチとの間には常に対立がある。神話では、神々がどのようにして世界を創造したのか、どのような完璧な原理が使われたのかを推論しようとします」
アルヴェーンにとって、ビッグバンは神話であり、天地創造を説明するために作られた神話だった。
「私は、アベ・ジョルジュ・ルメートルがこの理論を最初に提唱したとき、その場にいました」と彼は振り返る。ルメートルは当時、カトリックの幹部であると同時に、優れた科学者でもあった。この理論は、聖トマス・アクィナスの「無から有を生み出す」という神学上の教えと科学を両立させるためのものだと、彼はプライベートで語っていた。
しかし、もしビッグバンがなかったとしたら、宇宙はいつ、どのようにして始まったのか？
アルヴェーンは「宇宙が無限の時間をかけて存在していることを疑う合理的な理由はありません」
アルヴェーンはこう説明します。
「4,000年前、あるいは200億年前に宇宙がどのようにして生まれたかを語ろうとするのは、神話に過ぎません」
「宗教は本質的に経験的な方法を拒否しているので、科学的な理論と宗教を両立させようとする試みは絶対にあってはならない」と彼は言います。
「無限に古い宇宙は常に進化しており、創世記とは相容れないかもしれない」と彼は認める。
「しかし、仏教のような宗教は、明確な創造神話を持たずに成り立っており、始まりも終わりもない宇宙とは何の矛盾もありません。宗教的な教義としても『何もないところからの創造 Creatio ex nihilo』は紀元200年頃にしか存在しません」と指摘しています。
「重要なのは、神話と経験的な結果、あるいは宗教と科学を混同しないことです」
アルヴェーンは、彼のプラズマ宇宙理論が一般の人々の意識に浸透するには長い時間がかかることを認めている。
「結局のところ……」彼は物理学者のグループに向かってこう言った。
「今日、ほとんどの人は、おそらく無意識のうちに天動説を信じているのです」
グループの物理学者は最初は信じられない様子だったが、すぐにうなずいて同意した。
「世界中の新聞には占星術の記事が載っているが、天文学の記事はほとんどない」
個人的なことと公的な生活
波乱に満ちた科学者としてのキャリアとは対照的に、ハンス・アルヴェーンの家庭生活は静かなものでした。これは、67年間連れ添った妻のキルステンのおかげだと言われています。彼らは５人の子供を育てた。医師である息子と、スウェーデンで有名な作家と弁護士である４人の娘である。
アルヴェーンは科学論文のほかに、時には妻と一緒に大衆向けの科学書を書いた。その中には『世界─反世界：反物質の宇宙論』（1966年）や『ザ・グレート・コンピューター：あるヴィジョン』（1968年）がある。後者は、オロフ・ヨハネソンというペンネームで書かれたもので、高度に発達したコンピューターが、まず政府を、そして地球を支配するようになることを描いている。
アルヴェーンはコンピュータに対して長年不信感を抱いていたが、最近になってスーパーコンピュータ上のプラズマ・シミュレーションが実際の物理系で測定されたノイズを再現するようになってからは、このような分析の側面にも関心を持つようになったという。その他の人気書籍には、『アトム、人間、そして宇宙：複雑化の長い連鎖』（1969年）、『第３の惑星に生きる』（1972年）などがある。
アルヴェーンは、さまざまな社会問題に強く共感していた。例えば、パグウォッシュ会議の会長を務めるなど、世界的な軍縮運動にも積極的に参加していた。また、彼の息子は”社会的責任を果たす医師の会”のスウェーデン支部長を務めている。アルヴェーンは、科学史や東洋の哲学・宗教の研究を趣味としていた。
彼はユーモアのセンスがあり、どんな場面でも逸話を持っていることで知られていた。旅行が趣味で、特にスリランカ、フィジー諸島、アマゾン川などの異国の地を訪れていた。彼は、ヨーロッパでは春分から秋分、北米では秋分から春分に合わせて居住地を決めていた。英語、ドイツ語、フランス語に堪能で、ロシア語もほぼ堪能、スペイン語と中国語も少し話せた。彼は人生の最後の４年間まで体を動かし続けた。82歳になっても、ラホーヤの自宅アパートで来客をワインでもてなしたり、日没時には海の水平線に太陽が落ちるときに起こる現象”グリーンフラッシュ”を見ようとビーチへ急ぐなど、精力的に活動していた。
アンソニー・L・ペラット「プラズマ反体制派の最古参者（長老）」『 The World & I 』1988年５月号、190-197頁
以下はハンス・アルヴェーンのノーベル賞授賞式スピーチ「プラズマ物理学、宇宙研究、そして太陽系の起源」の全訳です。（関係ないですけれど、写真の真ん中に映っている女性の顔が怖いです）
プラズマ物理学、宇宙研究、そして太陽系の起源
ハンス・アルヴェーン
プラズマ物理学、宇宙研究、そして太陽系の起源
1970年12月11日、ノーベル講義
１. 科学と機器
物理科学の重心は常に動いています。新たな発見があるたびに、興味の対象や重視する分野が変わっていきます。同様に重要なのは、新しい技術開発によって科学的調査のための新しい分野が開かれることです。科学の歴史を見れば明らかなように、科学の進め方はかなりの部分、新しい機器の構築に依存しています。例えば、19世紀に古典力学と電磁気学が発展した後、今世紀の初めに高度に発達した分光器が作られて新しい時代が始まりました。当時としては非常に複雑で高価な装置でした。これによって、原子の外側の領域を探ることができるようになりました。同様に、30年代にはサイクロトロン──当時は非常に複雑で高価な装置だった──が原子核の探査に大きな役割を果たしました。最後に、この10年間で、さらに複雑で高価な装置、すなわち、高度に発達したロケット技術で打ち上げられ、最も洗練された電子機器が搭載された宇宙船が建造されました。
そこで、次のような質問をしてみましょう。もしあるとすれば、これらは科学的調査のためにどのような新しい研究分野を開くでしょうか？ この場合も、物理学の重心が大きな機器とともに移動するというのは本当でしょうか？
２. 宇宙研究の科学的目的
宇宙研究の最初の10年は、主に地球に近い空間、すなわち磁気圏と惑星間空間の探査に集中していました。これらの領域は空虚で構造を持たないと考えられていましたが、現在ではプラズマが充満し、シース状（鞘様構造）の不連続面が交差し、複雑な電流と電場・磁場が浸透していることがわかっています。このようにして得られた知識は、プラズマ、特に宇宙プラズマの一般的な理解の基礎となるものです。間接的には、熱核の研究、銀河や全宇宙の構造の研究、宇宙論的な問題にも重要な意味を持ちます。宇宙電気力学における私たちの進歩した知識は、これらの分野にこれまでよりも少ない推測でアプローチすることを可能にします。また、プラズマに関する知識は、太陽系の起源と進化を理解するための基礎となります。というのも、現在の天体を形成している物質が、かつてはプラズマ状態で分散していたと考える十分な理由があるからです。
宇宙研究の第２の10年は、少なくともある程度は異なる特徴を示しているようです。磁気圏と惑星間空間の基本的な問題は、まだいくつか解決されていないので、これらの領域が今後も注目されることは間違いありません。しかし、月面着陸や金星・火星への深宇宙探査により、多くの新しい科学的事実が得られたため、宇宙研究の重点は、月や惑星などの太陽系天体の探査へと移っています。
この探査の第一段階は、これまで到達が困難であった地球の極地などの探査と似た性格のものにならざるを得ません。詳細な地図を作成し、地質、地震、磁気、重力などの調査を行い、大気の状態を調査するのです。しかし、この研究パターンを月や惑星に適用すると、これらの天体が、もともとどのようにして形成されたのかという別の問題に直面することになります。実際、最近の宇宙研究報告の多くは、太陽系の形成と進化についての推測で終わっています。この問題は、近い将来、宇宙研究の中心となる主要な問題のひとつであり、おそらく主要な問題であると思われます。NASAは早くから、宇宙研究の主な科学的目標は、太陽系がどのようにして形成されたかを明らかにすることであると述べています。これはまさに、科学の基本的な問題のひとつです。私たちは、地球とその周辺の惑星がどのようにして生まれたのかを科学的に解明しようとしているのです。哲学的な観点から言えば、これは、今世紀の前半３分の１の関心を集めた物質の構造と同じくらい重要な問題です。
３. プラズマ物理とその応用
本題である”太陽系の起源”に集中する前に、プラズマ物理学の現状を簡単にまとめておきましょう。
ご存知のように、プラズマ物理学は２つの平行線に沿って始まっています。最初のものは、100年前に行われた、気体中の放電と呼ばれる研究です。このアプローチは、高度に実験的かつ現象的であり、非常にゆっくりとしか理論的に洗練されたものにはなりませんでした。ほとんどの理論物理学者は、複雑で厄介なこの分野を立入禁止に（封鎖）していました。プラズマには縞模様や二重層があり、電子の分布は非マックスウェル型で、あらゆる種類の変動（振動）や不安定性がありました。つまり、数学的にエレガントな理論には全く向いていない分野だったのです。
もうひとつのアプローチは、高度に発達した普通の気体運動論からでした。この分野は、限られた作業でイオン化した気体にも拡張できると考えられていました。これらの理論は数学的にエレガントであり、その結果を導き出すと、非常に高温のプラズマを生成し、それを磁気的に閉じ込めることができるはずだとわかりました。
これが熱核融合研究の出発点でした。
しかし、これらの理論は当初、実験的なプラズマ物理学とはほとんど接点がなく、気体中の放電の研究で扱われていた厄介で複雑な現象はすべて無視されていたのです。その結果、10年前に熱核反応の危機と呼ばれる事態が発生しました。それは、次のようなことを教えてくれました。プラズマ物理学は非常に難しい分野であり、理論と実験の緊密な連携によってのみ発展するものだということを。かつてH.S.W.マッセイ H.S.W. Massey（オーストラリアの数学物理学者）が（少し違う文脈で）言ったように、
「人間の頭脳だけでは、自然現象の内部構造を詳細に理解することはできない。実験室での実験がなければ、今日の物理学は存在しない」
現在の宇宙プラズマ物理学は、熱核融合研究の物理学よりもはるかに遅れています。実験室でプラズマを見たことのない理論家の遊び場になっているところがあります。彼らの多くは、実験で間違っていることがわかっている公式をいまだに信じています。熱核反応の危機に対する宇宙物理学的な対応（一致）はまだできていません。
宇宙プラズマの物理学への最初のアプローチが、ある点で失敗だったことは、今では明らかだと思います。いくつかの重要なケースでは、このアプローチは真実の第一近似値（だいたい等しい）さえも与えず、行き止まりの道に導いてしまい、そこから引き返さなければならないことがわかりました。その理由は、理論の基礎となる基本的な概念のいくつかが、宇宙に存在する条件に適用できないからです。これらの理論は、ほとんどの理論家によって”一般的に受け入れられている”ものであり、最も洗練された数学的手法を用いて開発されています。そして、その理論がどれほど美しいものであるかを”理解していない”のはプラズマ自身であり、それらに従うことを絶対的に拒否しているのです。今や、大きく異なる出発点から第二のアプローチを始めなければならないことは明らかです。
４. 宇宙プラズマ物理学への第一、第二のアプローチの特徴
この２つの異なるアプローチを表１にまとめてみました。
表１：宇宙電磁気学
| 第一のアプローチ | 第二のアプローチ |
| 同質モデル | 宇宙プラズマはしばしば複雑な不均質構造を持つ |
| 伝導率 σ ＝ co 電界 E | σ は電流に依存し、しばしば突然 o, E, になり、 しばしば ≠ o |
| 磁力線はプラズマの中で"凍結"し、プラズマとともに"移動"する | ”凍結”した絵は、しばしば完全に誤解を招く |
| 磁力線の絵で電磁状態を説明する | 電流線を描き、電気回路を議論することも同様に重要である |
| 静電二重層は無視されている | 静電二重層は低密度プラズマでは決定的に重要である |
| フィラメント構造や電流シートが軽視されていたり、扱いが不十分である | 電流はフィラメントを作ったり、薄いシート状に流れる |
| 理論は数学的にエレガントで、非常によくできている | 理論はまだ不十分であり、一部は現象論的である |
今日、第１のアプローチと第２のアプローチの境界はどこにあるのかと問われれば、おおよその答えは、宇宙船の到達範囲によって与えられます。つまり、磁力計、電界プローブ、粒子分析器などでプラズマの状態を調べることができるすべての地域で、第１のアプローチの理論は、その優雅さにもかかわらず、現実とはほとんど関係がないことがわかります。第一原理から第二原理への移行は、熱核危機への天体物理学的対応であると思われます。
５. 太陽系の起源
これまで述べてきたことから、天体物理学が実験室（実験、研究室、実習）物理学 laboratory physics との接触を懸命に維持しない限り、推測の域を出ない危険性があることは明らかです。
※ laboratory astrophysics：実験室宇宙物理学
実際、宇宙物理学は本質的に、実験室で発見された自然法則を宇宙現象に適用するものであることを強調しておく必要があります。このことから、宇宙物理学の特定の分野は、実験物理学 experimental physics が一定の発展を遂げる前には、科学的なアプローチをするには適していないということになります。よく知られている歴史的な例では、核物理学が発達する前には、星がどのようにしてエネルギーを生み出しているのかを理解しようとする試みは、ほとんど恒久的な価値のない推測に過ぎなかったでしょう。
太陽系がどのようにして誕生したかという問題には、非常に多くの異なる仮説が存在しています。その理由は、現象を理解し、どのようなプロセスが可能かを判断するために必要な物理学の基礎知識が十分でなかったからです。
しかし、太陽系の起源と進化に関する理論の詳細を議論する前に、その理論がどのような一般的性格を持つべきかを定義することが重要です。これまでは、太陽の周りの惑星の形成に注目が集まりすぎていました。その結果、太陽系の起源に関する多くの理論が、太陽の初期の歴史に関する理論に基づいているという残念な結果になっています。太陽（および他の星）の形成は非常に議論の多いテーマであるため、この根拠は非常に不安定なものです。木星、土星、天王星の衛星システムは、惑星システムと非常によく似ており、少なくともこのシステムと同じくらい規則的であることを認識しています。現在では、中心天体の周りの二次天体の形成に関する一般的な理論を目指し、惑星系の形成は、そのような一般的な理論の応用の一つに過ぎないと考えるのが適切であると思われます。
太陽系がどのような過程を経て誕生したのかを研究することを、しばしば宇宙進化論 cosmogony（宇宙の起源）と呼んでいますが、この言葉は他の多くの分野でも使用されています。太陽系の起源は、本質的には第一の天体の周りに第二の天体が繰り返し形成される問題であることから、ヘテゴニー hetegony（ギリシャ語の hetairos または hetes＝仲間、連れ）という言葉が提案されています。
太陽系が形成されるまでの一連の流れは、図１に示すようなものであった可能性が高いと考えられています（かなり一般的な見解です）。（私たちはここで”微惑星”アプローチと呼ばれるものに従っています）
原始プラズマが中心体の周りのある領域に集中していて、それが凝縮して小さな固体の粒子になっていました。（原始プラズマにも粒子が含まれていた可能性があります）
その粒子 grains が降着して胚 embryos（初期段階）と呼ばれる状態になり、さらに降着して中心体が太陽の場合は惑星、惑星の場合は衛星と、大きな天体が形成されていきました。ヘテゴニック・ダイアグラム hetegonic diagram における小惑星の位置については議論があります。
※ hetegonicとhetegonyという言葉は明確に定義されている資料が見つかりませんでした。太陽系内の惑星の起源を研究する学問、1972年、ロバート・ダンカン・エンズマン「第３回惑星学と宇宙ミッション計画に関する会議」が初出のようです。「太陽系の起源は本質的に一次天体の周りに二次天体が繰り返し形成される問題であることから、ヘテゴニー（ギリシャ語のhetairos または hetes, 仲間）という言葉が提案されている」
「SP-345太陽系の進化」というアルヴェーンが同僚と執筆した文書のなかで使われています。
以前は、小惑星は分裂した惑星の破片であると一般的に考えられていましたが、現在では、小惑星は惑星形成の中間状態を表している、あるいは少なくともそれに類似しているという見解を支持する議論が増えています。このふたつの選択肢を明確にすることが重要です。
図１の図がそのまま一般的に受け入れられたとしても、それぞれのプロセスが明確になったわけではありません。ほとんどの場合、それらはまだ仮説的な性格を持っています。最近まで、基本的なプロセスがあまり知られていなかったため、必然的にこのような状況になりました。ある意味では、核物理学が登場する前に天体物理学者が星のエネルギー生成を解明しようとしていたのと同じ状況なのです。しかし、現在は状況が変わりつつあり、この研究分野全体が、多かれ少なかれ有望な仮説の議論の状態から、体系的な科学的分析へと移行することが期待されています。
６.ヘテゴニック・プロセスの再構築のための基礎知識
これまで述べてきたプラズマ物理学以外にも、ヘテゴニック現象を再現するための基礎となる研究分野がいくつかあります。
⑴ プラズマ化学とは、プラズマ中の化学反応を研究する分野です。
これは、非イオン化ガス中の反応とは基本的に異なります。また、温度勾配や電流などによって不均一なプラズマ中で起こる異種元素の分離も含まれると考えるべきです。さらに、プラズマとそこから凝縮した固体粒子との相互作用は、イオン化の状態に大きく依存します。これらの実験結果と宇宙環境への応用は、天体の化学組成の違いを理解するのに役立ちます。
進化図の中の次のプロセス、すなわち最初の凝縮からより大きな天体を降着させるためには、以下の分野の研究が不可欠です。
⑵ 固体同士の衝突。
凝縮の最初の結果である粒子は、中心天体の周りをケプラー軌道で動きますが、その動きはいくつかの影響で妨害されます。その一つは、相互の衝突によるものです。衝突時の相対速度は、ゼロから10km/sec.程度までの任意の値をとります。これは、多くの場合、”超高速”での衝突の領域にあることを意味しています。この分野は、まだよくわかっていません。実験室で得られた結果はほとんどなく、粒子の構造についてはほとんど分かっていないため、宇宙の状況への適用は不確かです。衝撃を吸収するフワフワした表面層を持つ天体同士の衝突は、硬い”ビー玉”同士の衝突とは異なる可能性があります。隕石の研究は、私たちにいくつかの情報を与えてくれます。また、月面への隕石の衝突に関するアポロ計画の成果も、重要な情報源となっています。しかし、これらのケースでは、 宇宙空間での粒子の構造については、あまり多くの情報を得ることができません。なぜなら、回収された粒子は地球の大気圏を通過したか、月面に衝突して破壊されたからです。
⑶ 粘性媒質中のケプラー運動を研究することは、粒子や胚の軌道の進化を理解するために不可欠です。
この問題は、形式的にはプラズマ物理学の基本的な問題に似ていますが、これらの問題も多数の相互作用する粒子が関係しています。中心となる天体の近くでは、凝縮した粒子が同じような軌道で移動する傾向があり、それによって”ジェットストリーム”と呼ばれるものが空間に形成されることがわかりました。
⑷天体力学は、もちろん、ヘテゴニックプロセス全体の一般的な背景となります。
この分野は、以前は扱うことができなかった多くの問題にコンピュータ解析を適用することによって、活性化されました。これと関連して、現在の太陽系の構造に共鳴現象が重要であることがわかってきました。ヘテゴニック時代にも共振が重要な役割を果たしていたと思われます。
⑸ 今から40〜50億年前に起きたヘテゴニック現象。
地質学的な力で惑星の構造が変化し、潮汐の影響でいくつかの天体（特に衛星）の自転が妨げられ、小惑星帯で衝突が起こり、惑星表面に隕石が衝突するなど、比較的ゆっくりとした変化を経て、現在の太陽系へと進化した。これらの影響は、ヘテゴニック過程が終わった直後の系の状態を再現するために重要です。それらを”補正”して初めて、現在観測されている太陽系のデータは、ヘテゴニック過程の再現に価値を持ちます。
７. ヘテゴニック問題に関連する宇宙観測
これまでの分析から、ヘテゴニック現象を理解するために必要な背景知識は、さまざまな分野の研究の進展によって急速に増えていることがわかりました。ここでは、どのような宇宙ミッションがヘテゴニック問題の研究に特別な価値を持つかという問題について議論します。
まず、現在行われている宇宙ミッションや将来計画されている宇宙ミッションの多くが、貴重な貢献をしていることを述べておきます。磁気圏や惑星間空間でプラズマや粒子の測定を行う宇宙船によって、宇宙プラズマの挙動に関する知識が増えています。さらに、宇宙船に衝突した隕石は、私たちの環境にある非常に小さな天体の情報を提供してくれますが、これらの天体は、おそらく現在の惑星がかつて降着した小さな天体に関連しています。特に重要なのは、月（および火星）への隕石衝突の研究です。したがって、これらの研究やその他の研究は、ヘテゴニック問題の解決に必要な背景知識に”自動的に”貢献します。しかし、これは満足のいくものですが、宇宙研究が目的を持って行われなければ解決できない重要な問題がいくつもあります。そのためにはどうすればよいかを考えてみたい。
８. 大きな天体と小さな天体
通常、月面着陸の後に最も重要なミッションは、金星、火星、その他の惑星へのミッションであると考えられています。小惑星や彗星へのミッションも、科学的な観点からは同じくらい興味深いものですから、必ずしもそうとは言えません。小惑星の中には、地球・月系に最も近いものもあるので、技術的にも最も簡単なミッションになるでしょう。
私たちの分析では、どの分野の研究が、ヘテゴニック・プロセスのさまざまな段階の解明に貢献するかを示しました。小さな粒子の凝縮を含む第一段階では、プラズマ物理学とプラズマ化学が重要です。隕石や小惑星サイズの天体の研究は、降着に関係してきます。一般的な法則として、天体が小さければ小さいほど、その研究によって時間を遡ることができると言えます。したがって、小さな天体は大きな天体よりも初期の時代に関連することになります。つまり、宇宙にある小天体の性質を研究することで、後に惑星や衛星を形成する物質の大半がまだ分散していた太陽系形成の重要な段階を理解することができるということです。
また、惑星や衛星の形成時には、その形成過程に関する多くの情報が蓄積されていたことが分かっています。しかし、これらの情報の多くは、消滅しているか、アクセスできない状態です。惑星は"微惑星"から降ってきたものと思われます。この降着の最初の段階では小さな天体が作られ、その天体の物質は現在、惑星のコアにあるかもしれません。つまり、有人宇宙船が惑星の表面に着陸したとしても、アクセスできないということです。また、例えば惑星内部の対流によって、かつて保存されていた情報が多かれ少なかれ消滅している可能性もあります。表層に関しては、地球でも金星でも、大気の影響を含めた地質学的なプロセスによって、ヘテゴニック・プロセスの痕跡がほとんど消えてしまっていると考えられます。月や火星、そしておそらく水星のような他の天体では、かなりの情報が残っているようですが、それはヘテゴニック・プロセスのごく最後の段階に関するものです。
したがって、惑星のような大きな天体の研究は、太陽系の起源を研究する上で限られた価値しかないというのが私たちの結論です。
小惑星、彗星、メテオロイド（流星体、流星物質）はこの点で異なります。これらの天体の一部が宇宙空間での衝突で生じた破片であったとしても、これらの破片には凝縮や降着のプロセスに関するかなりの情報が含まれている可能性が高いです。小天体の場合、その内部には生成時の情報を消し去るような加熱や対流はなく、少なくとも非常に小さな天体や破片の場合は、その”内部”にアクセスすることができます。さらに、これらの天体を研究することで、宇宙空間での小天体の挙動に関する知識を得ることができ、それはヘテゴニック・プロセス全般を解明する上で貴重なものとなります。私たちは、惑星の製造における中間生成物を研究しています。いわば、地球のような惑星がかつて作られたときの一連の流れを示すスナップショットを提供してくれます。
９. 科学の古い分野と新しい分野
さて、時空を超えた旅から、出発点である「新しい技術が物理科学の重心をどのように移動させるか」に戻りましょう。今世紀初頭に起こった物理学の大革命により、古典力学や古典電気力学は研究分野としてはほぼ廃止されたと考えられていました。新しい分野として注目されたのは相対性理論と量子力学であり、実験的な研究は主に原子の電子殻の探究に集中していました。核物理学の進歩は、同様の方向へのもう一つのステップを示していました。
一方、プラズマ物理学や宇宙研究の勃興によってもたらされた新しい流れは、ある意味では逆です。これらの分野では、量子力学や相対性理論はあまり重要ではありません。むしろ、古典力学が復活し、宇宙船の軌道を計算するだけでなく、自然の天体の進化の歴史の中での動きを研究するのにも欠かせないものとなっています。また、古典電磁気学は、熱核研究や宇宙物理学全般の基礎となる磁化プラズマの理論に決定的な重要性を持っています。だからといって、50年前と同じように、原子物理学や核物理学が時代遅れだと断定するような過ちを犯してはいけません。そうではありません。原子・核物理学は巨大な慣性を持っており、今後も発展し続けるでしょうし、多くの新しく興味深い結果を生み出すでしょう。しかし、これらの分野には非常に深刻な競争相手がおり、驚くべきことに、以前は死語とされていた分野が今では復活しているのです。
この新しい時代は、より理解しやすい物理学への部分的な回帰を意味しているのかもしれません。四次元相対性理論や原子構造の不確定性などは、専門家でない人にとっては、常に神秘的で理解しにくいものでした。私は、プラズマ物理における33の不安定性や、太陽系の共鳴構造などを説明する方が簡単だと思っています。新しい分野が強調されることは、物理学のある種の脱神秘化（なぞ解き）を意味します。何世紀にもわたって科学が作る螺旋状またはトロコイド状の動きの中で、その導きの中心は、科学が出発したそれらの分野に戻ってきました。
※トロコイド：円をある曲線（円や直線はその特殊な場合）にそってすべらないように転がしたとき、その円の内部または外部の定点が描く曲線。これはウィキのページで、その動きを見た方が早いと思います。
数千年前に科学を始めたのは、インド人、シュメール人、エジプト人が観測した夜空の不思議でした。数百年前に科学の雪崩を起こしたのは、放浪者である惑星がなぜそのように動いているのかという疑問でした。今、同じ天体が再び科学の中心になっていますが、問うていることが違うだけです。どうすればそこに行けるのか、また、かつてこれらの天体がどのようにして形成されたのか、といったことが問われているのです。
そして、もしこれらの天体を観測する夜空が高緯度にあるならば、この講義室の外、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が見えるかもしれません。
なぜなら、初めにプラズマがあったからです。
参照：SP-345 Evolution of the Solar System
19102729.pdf
最後までお読みいただき、ありがとうございました。