『現実の魔法』(2011年)は、かつて超自然的だと考えられていた自然現象を科学者たちがどのように説明してきたかを辿りながら、科学的思考への入門を提供する一冊です。宇宙の構成要素の解明から生命の起源の説明まで、科学的推論には答えがあります。
この本を読むと何が得られるか？ 科学的世界観の美しさを発見しよう
古代において、宇宙の働きは神々や超自然的な要素によって説明されていました。それから私たちは長い道のりを歩んできました。しかし、理解しがたいことに対して魔法のような説明をでっち上げるのは、今でもたやすいことです。でももし、別の種類の魔法、具体的で合理的な思考がもたらす魔法があるとしたらどうでしょうか？
現在、私たちは宇宙を支配する多くのプロセスを熟知しています。宇宙の始まりや種の起源は、科学的な共通認識となっています。しかし、私たち普通の人々にとって、その知識の多くは依然として不明瞭なままです。学校で習った科学の授業は、脳の片隅で埃をかぶり、忘れ去られているのです。
これから、科学の授業に戻り、かつて知っていたことを再発見し、私たちが住む世界について新しいことを学びましょう。さあ、現実の魔法を発見してください。
以下のことがわかります。
- 高さ約69キロメートルの写真の山が、どのように私たちの祖先を示してくれるのか
- たった一つの酸素原子が増えるだけで、なぜ空気が猛毒になるのか
- 太陽が、水力で動く「植物」にどのようにエネルギーを供給しているのか
何かが現実であると確認するには、五感を通じて直接的または間接的にそれを経験しなければならない
生命と宇宙の起源については、数え切れないほどの物語があります。例えば、コンゴのバントゥー族によれば、宇宙はブンバという神によって創造されました。
最初は、水っぽい闇とブンバだけが存在していました。ある日、ブンバは病気になり、太陽を吐き出しました。その光が闇を払い、大地を乾かしました。ブンバは再び吐き出し、月、星、動物、そして人間を創造したのです。
科学は確かに、私たちの起源について全く異なる物語を語ります。しかし、どちらが真実か、どうすれば確信できるのでしょうか？ 何が現実かを、どうやって知ることができるのでしょう？
私たちが何かを現実だと知るのは、それを五感で直接経験できる時です。例えば、アイスクリームを味わえば、それが現実だとわかります。木片に触れれば、それが現実だとわかります。
もし私たちの感覚が特定の何かを経験するのに十分な精度を持っていなければ、望遠鏡や顕微鏡のような科学機器を使ってそれを強化できます。これらは、遠くの銀河や微小なバクテリアを見せてくれます。
これらの機器でさえ不十分な場合、私たちの感覚では検知できないものを捉える特別な装置に頼ることができます。例えば、X線を肉眼で見ることは決してできませんが、特別な装置の助けによってその存在を確認できます。
これらの装置を使うことで、私たちはX線の働きを理解し、今度はそれを使って現実のイメージを強化できるのです。例えば、X線によって人体の内部を見て、骨格構造を調べることが可能になります。
でも、過去について知りたいと思ったらどうでしょう？ 私たちは過去を感じることも、複雑な機器で直接調べることもできません。しかし、間接的な証拠を使うことができます。
化石を例にとってみましょう。化石は、泥や岩に埋もれた死骸にミネラル豊富な水が染み込むことで形成されます。そこでミネラルが結晶化し、死骸の原子を一つずつ置き換えていき、石の中に動物の痕跡を残すのです。
私たちは恐竜やサーベルタイガーを決して見ることはできませんが、その化石を見ることはできるのです！
科学モデルは、直接的にも間接的にも観察する方法がないものでも理解するのに役立つ
アインシュタインの相対性理論を聞いたことがあるでしょう。しかし、計算機が発明される前に、一体どうやって彼はあんなに複雑なことを思いついたのでしょうか？
私たちの直接的な理解を超えたものをより良く理解するために、科学者は、それらがどのように機能すると思うかを記述するモデルを作り上げます。これらのモデルは、直感や推測に基づくこともあれば、何年にもわたる注意深い考察の結果であることもあります。
科学モデルは、それが説明しようとしている現実の側面に応じて、コンピューターシミュレーションから木製の構造物、数式まで、あらゆる形をとることができます。例えば、飛行機の翼の空力特性を理解したいなら、木製の模型を作って風洞で観察することができます。
つまり科学者は、モデルを使って予測を行い、実験結果を検証し、それに基づいてモデルを棄却するか改良するかを決めるのです。
これの素晴らしい例が、19世紀のオーストリアの修道士、グレゴール・メンデルです。彼は大量のエンドウ豆を栽培しました。新しい世代の植物ごとに、しわのないエンドウ豆としわのあるエンドウ豆の数を数えることで、彼は遺伝子がどのように働くかのモデルを作り上げることができました。
このモデルを使って、彼は次の世代における、しわのない豆としわのある豆の数について予測を立てました。収穫が予測を裏付けた時、彼は自分の遺伝子モデルが正しいことを確信したのです。
別の例として、アイザック・ニュートンによる、通常の白色光がすべての色の光から構成されているという発見があります。
ニュートンはプリズムに光を通し、虹のような色の光線を作り出しました。色が光本来のものであり、ガラスによって付け加えられたのではないことを確認するために、彼は多色の光をレンズに通して虹を白色光に戻し、さらに別のプリズムに通して再び虹に分解しました。このプロセスによって、彼は自分のモデルの正しさを確信したのです。白色光は確かにすべての色を含んでいる、と。
進化論は、ある種がゆっくりと徐々に新しい種へと進化しうることを示している
カエルにキスをしたら、魔法でハンサムな王子様に変わった、というおとぎ話は誰もが知っています。これはただのおとぎ話ですが、自然界にもこれと同じくらい魅惑的で変革的なプロセス、すなわち進化が存在します。しかし、進化は具体的にどのように機能するのでしょうか？
まず、種の構成員は均一ではありません。各個体にはバリエーションがあり、そのうちのいくつかは生存に有利に働きます。
例えば、ある種のカエルの中には、他のカエルよりも長い脚を持つものがいます。これは、同じ種の他のカエルよりも長く生き延び、より多くの子孫を残すことを可能にするかもしれません。
数世代後には、これらの脚の長いカエルの成功によって、ますます多くのカエルが長い脚の遺伝子を持つようになり、その遺伝子が受け継がれる可能性が高まります。
この好ましい形質の淘汰こそ、チャールズ・ダーウィンが有名な自然淘汰と呼んだものです。
十分な時間があれば、自然淘汰は単純な動物を徐々に非常に複雑なものへと変化させることができます。
これがどのように機能するか想像するために、次の思考実験を試してみてください。
自分の写真をテーブルに置くと想像してください。次に、父親の写真をその上に置きます。さらに祖父、曽祖父と続け、1億8500万枚の写真が整然と高く積み重なるまで続けます。
それぞれの写真は、上下の写真とほとんど同じに見えるでしょうから、あなたと父親の間に遺伝的な系統があることは明らかです。
それにもかかわらず、高さ約69キロメートルの写真の山の一方の端には魚がいるでしょう。そして、その魚とあなたの間には、あらゆる種類のトガリネズミ、サル、類人猿がいるのです。
同様に、自分自身の写真を毎日撮って、同じように積み重ねた場合、赤ちゃんから幼児へ、青年から大人へと正確にどこで変わったのかを言うことはできません。ちょうど、自分の祖先が類人猿から人間へと正確にどこで変わったのかを言えないのと同じです。その間には多くのグレーゾーンがあるのです。
DNAと放射性時計は、種がいつ生き、どのように互いに関連しているかを特定するのに役立つ
これまでに、すべての生物の関係を枝葉に描いた生命の樹を見たことがあるかもしれません。しかし、どの葉がどの枝につながるのか、ましてやそれらが幹のどこでつながるのか、どうやって知るのでしょうか？
一つの方法は、地中に埋もれた様々な岩の堆積層にある化石記録を調べることです。
火成岩と呼ばれる特別な種類の岩があります。これは溶岩が冷えるときにできます。これらの火成岩には放射性同位体が含まれています。これは、その同位体の半減期と呼ばれる既知の速度で崩壊する原子です。例えば、同位体ウラン238の半分が同位体鉛206に崩壊するには45億年かかります。
岩石中のウランと鉛の量を比較することで、その年齢を計算できます。ですから、1億1000万年前の火成岩の層と1億3000万年前の火成岩の層の間に化石を発見した場合、それは約1億2000万年前のものだとわかるのです。
しかし、種がいつ関連しているかをどうやって見分けるのでしょうか？
一つの方法は、異なる動物における同じ遺伝子の発現を比較することです。
DNAは、アデニン、シトシン、グアニン、チミンという塩基対のセットからなる長いらせん状のひもでできています。私たちの遺伝子を形成しているのは、これらのペアの組み合わせです。
特定の遺伝子の発現を比較することは、ある単語が異なる言語でどのように書かれるかを比較するのに似ています。例えば、アメリカ英語とイギリス英語は近いいとこのようなもので、”color” という単語のスペルがわずかに異なります（イギリス英語では “colour” と綴られます）。より遠い親戚であるフランス語では、”couleur” と綴られます。
いくつかの遺伝子は動物界の広い範囲で共有されています。例えば、すべての哺乳類が共有するFoxP2遺伝子があります。FoxP2遺伝子の2067の「文字」のうち、チンパンジーとヒトで異なるのはわずか9文字です。しかし、ヒトとマウスの間には139文字の違いがあり、これはヒトとマウスの関係がより遠いことを意味します。
実際、根本的に、私たちは地球上のすべての生命と何らかのDNAを共有しており、本当に私たちは皆、ただのいとこ同士であることを示しています。
宇宙の構成要素である原子は、様々な方法で組み合わさり、複雑な物質を作り出す
家具に足の指をぶつけた時、その物体の固さに疑いの余地はありません。しかし不思議なことに、完全に固いと思っているものでさえ、そのほとんどは空っぽの空間なのです。少なくとも原子レベルでは。
原子は宇宙で最も小さな物体の一つです。一種類の原子だけからなる物質は元素と呼ばれます。
水素、炭素、鉄など、118の既知の元素があり、それぞれがユニークな種類の原子を表しています。結合した原子、例えば水を構成する2つの水素原子と1つの酸素原子は、分子と呼ばれます。
分子内の原子の数とそれらの配置は、その分子の特性に大きな影響を与えます。
例えば、私たちが呼吸する酸素、O2は、2つの酸素原子からなる分子です。3つ目の酸素原子を加えると、O3、つまりオゾンができますが、これは吸入すると非常に有害です。
同様に、ダイヤモンドとグラファイトはどちらも炭素原子のみで構成されています。貴重な違いを生み出すのは、これらの原子の配列なのです。
炭素はまた、生物を構築するのに必要な非常に複雑な分子の骨格として機能する、長い鎖や環を形成します。
しかし、原子自体は何でできているのでしょうか？
どんな原子の中にも、陽子、電子、中性子という三つの亜原子粒子があり、それぞれが強力な基本的な力によって空間内の特定の位置に保持されています。原子の中心には陽子と中性子があり、その周りを電子が飛び回っています。
原子や亜原子粒子は無限に小さく、互いに極めて離れています。もし、ダイヤモンド結晶中の単一の炭素原子の中心核をサッカーボールと想像すると、隣の炭素原子の中心核は15キロメートル離れており、電子はその間のどこかでブンブン飛び回る小さなブヨのようなものです。
しかし、内部で作用する力のために、この広大な空間は通り抜けられないのです。
元素は、恒星の内部で見られる高温高圧から作り出される
さて、万物は原子でできていることがわかりました。しかし、これほど多様な原子はどこで生まれたのでしょうか？ 答えは星の中にあります。
恒星を含むすべての天体は、互いに重力を及ぼし合っています。これが、地球が太陽の周りを回り、月が地球の周りを回る原因です。
しかし、重力は双方向に作用します。この事実は、月の引力によって引き起こされる潮の満ち干によって明らかになります。
私たちの太陽のような天体が十分に大きければ、その引力は非常に強力で、中心にある原子は巨大な圧力の下で極めて高温になります。
この熱の中で、水素原子のペアは融合してヘリウム分子になります。このプロセスは、大量の熱、光、放射線を放出し、それによって恒星は内向きの重力に逆らって膨張し、太陽が内破しないようにしています。
より大きな恒星は、水素を非常に速く燃やし尽くし、残ったヘリウム分子が恒星の中心で互いに衝突します。その過程でさらに多くの原子が融合し、鉄、炭素、酸素などのより重い元素が形成されます。
このプロセスで放出される信じられないほどのエネルギー量のために、大きな恒星は小さな恒星ほど長くは生きられず、超新星と呼ばれる巨大な爆発を起こして最期を迎えます。
この類を見ない爆発は、鉛やウランなどの重元素の生成をもたらし、それらは超新星爆発の後に銀河中にばらまかれます。
宇宙に吹き飛ばされた後、これらの巨大なガスと塵の雲は、自身の重力によって収集・結合せざるを得なくなり、最終的に惑星や新しい恒星を形成し、再びそのプロセス全体を繰り返します。
科学者たちは、これこそまさに私たちの太陽系が生まれた方法であると理論づけています。死にゆく星から残された天体の塵の巨大な雲です。私たちが知るすべてのもの、すなわち動植物相を含む私たちの惑星は、星屑から生まれたのです。
太陽は地球上のすべての生命にエネルギーを提供している
一晩中起きていて、翌朝の日の出を見たことはありますか？ 太陽があなたを暖めると、周りの世界が生き生きとしてきたのを覚えていますか？ 実際、太陽光線は地球上の生命にとって決定的に重要なのです。
植物は太陽光を使って糖の形でエネルギーを生産します。光合成と呼ばれるこのプロセスには、水、ミネラル、二酸化炭素も必要ですが、この変換を可能にする燃料として作用するのは太陽のエネルギーです。
これらの植物が動物によって消費されるとき、植物に蓄えられた糖はその動物に受け渡されます。
植物だけを食べる動物、つまり草食動物は、その糖を使って筋肉をつけ、歩き回り、より多くの植物を食べます。肉食動物は次に草食動物を食べ、それらを使って筋肉をつけ、他の草食動物を狩る、といった具合です。
しかし、エネルギーが植物から動物へ、そして動物から動物へと渡されるにつれて、わずかな減少があります。
さらに、連鎖の各段階で、一部のエネルギーは寄生虫、バクテリア、菌類などの小さな生物に渡されます。これらは動物の死骸を食べ、体内に蓄えられたエネルギーの一部を抽出し、また熱を放出します。堆肥の山が熱いのはそのためです！
動物の生命が太陽のエネルギーによって支配されているように、人間の生命もまたそうです。実際、私たちが使うすべてのエネルギー源は、究極的には太陽から力を得ています。
この明白な例は太陽光発電です。あまり明白でない例は水力です。
例えば、河川によって動く水車は、そこを流れる絶え間ない水の供給があって初めて可能です。水はどのようにしてそこに届いたのでしょうか？ 太陽です！
太陽のエネルギーが湖、川、海を温めると、水が蒸発して雲に集まります。蒸発した水がより高い高度に達すると、冷えて丘や山に雨や雪として降り、そこから水車を動かす川に流れ込むのです。
太陽がなければ、水力は不可能でしょう。
光は星々から運ばれるエネルギーであり、私たちが見ることができるものよりはるかに多くのものから成り立っている
自然界で、虹を作る散乱光ほど美しいものはほとんどありません。しかし、太陽の白色光には他に何が隠されているのでしょうか？
光の構造を見ることから始めましょう。光は音と同様に振動として考えることができますが、この場合、空間を横切る、異なる波長の電磁的な振動です。
先にニュートンの実験で見たように、白色光は実際には異なる色の広大なスペクトルで構成されており、それぞれが異なる振動数です。音波（高周波の波長が高い音を作り、低周波の波が低い音を作る）と同様に、光波の様々な周波数が色を決定します。この類推を使うなら、赤はベース、黄色はバリトン、緑はテノール、青はアルトと考えることができます。
私たち人間は、光のスペクトル上の限られた範囲の波長しか見ることができません。特定の高い音（例えば、コウモリが空中を移動するのに使う超音波）を聞くことができないのと同様に、特定の昆虫が果実の熟れ具合を検知するのに使う紫外線を見ることはできません。
光のスペクトルの非常に高い方の端には、極めて有害なX線やガンマ線があります。幸いなことに、私たちの惑星の大気と磁場が、これらの光線が私たちを焼き尽くすのを防いでいます。
次に、スペクトルのもう一方の端があります。クジラがコミュニケーションをとる周波数である超低周波音のような、非常に深い音と同様に、私たちが熱としてしか感じることができない赤外線があります。
光のスペクトルを構成するすべての波を見ることはできませんが、それぞれが何らかの形で役に立ちます。
例えば、赤外線の下には、調理に使う電子レンジのマイクロ波や、通信に使う電波があります。そして、X線を使うことで人体の内部を見ることができ、天文学者が空の写真を撮ることも可能にしているのです。
銀河が発する光のスペクトルを見ることで、宇宙がいつ始まったかを計算できる
車が目の前を通過するときに、近づくときは高い音で、遠ざかるにつれて低くなる音を聞いたことがあるでしょう。しかし、ドップラー効果として知られるこの奇妙な現象が、宇宙がいつ始まったのかを理解するのに役立つことを知っていましたか？
星が発する光を見て、その星が何で構成され、どれくらい離れているかを判断することができます。科学者は分光器を使ってこれを行います。これは、星の光が色のスペクトルとして見える装置です。
星の中の各元素は、固有の光の混合を放出します。これらの異なる色が織り合わされて、光の波長を表す細い黒い縞と広い黒い縞を持つ、バーコードのようなパターンを作り出します。
これらのバーコードを使って、数学者たちは星にどの元素が存在するかを解明し、そのデータを使って私たちからの距離を計算することができます。
これらのバーコードパターンは時間とともに変化し、この変化によって、すべての銀河が私たちから遠ざかる速度を計算することができます。これがわかるのはドップラー効果のおかげです。
あの通り過ぎる車のことを思い出してください。
光も似たような振る舞いをします。銀河から放出された光は、私たちから遠ざかるにつれてより赤くなります。ですから、銀河を調べる際に、時間の経過とともに銀河のバーコードがスペクトルの赤い端の方へさらにシフトしていくのを確認できるかもしれません。
実際、この技術を使って、天文学者たちはすべての銀河が互いに遠ざかっていることを学びました。
膨張の速度と銀河間の距離を計算することにより、天文学者たちは宇宙の膨張を本質的に「巻き戻す」ことができました。そうすることで、彼らは宇宙が130億年から140億年前に始まったに違いないと計算したのです。
科学的探究が何が現実かを判断するのにどのように役立つかを見てきました。最後に、超自然的なものについて見ていきましょう。
私たちはありそうもない出来事の話を聞くのが好きで、それを繰り返し語り、脚色する傾向がある
誰かが同じ話を何度も語るのを聞いたことがあれば、おそらく、話が語られるたびに、それがますます空想的になっていくことに気づいたでしょう。つまり、彼らは誇張したのです。しかし、それは問題ありません。ただ人間的なことなのです。
私たちのほとんどは、奇妙な偶然の一致の話を語り直すのが大好きです。地球上に膨大な数の人がいることを考えれば、時にはクレイジーでありそうもない出来事が私たちの一部に降りかかるのは当然のことです。
例えば、テレビのマジシャンが視聴者に、家にある壊れた時計を手に取り、テレビの前にかざして、自分の意念の力で「修理」するよう呼びかけたと想像してください。国中の1万人の視聴者のうち（全員が時計を握りしめ、手の中で温めて振っている）、たった一つの時計が動き始めれば、テレビの視聴者全員を感心させるのに十分です。もちろん、壊れたままだった他の9999個の時計については決して耳にしません！
私たちはこうした空想的な話を好むだけでなく、それらをよりよく覚えています。
例えば、夜にある有名人の夢を見たと想像してください。目が覚めると、その人が亡くなったことを知ります。いったいどんな確率でしょう？ きっと、これは単なる偶然ではなかったはずですよね？
ええ、あなたはおそらく何十人もの有名な人々について何百回も夢を見たことがあるでしょう。しかし、目が覚めた時に、その人物がその夜に亡くならなかったことに衝撃を受けたのを覚えていますか？ もちろん違います。
これらの空想的な話が語り直されるにつれて、それらはより刺激的にするために何度も何度も脚色されます。
例えば、死んだ有名人の夢の後、あなたはその有名人がいつ亡くなったかを調べて、彼らがあなたが寝た直後の午前3時頃に亡くなったことを発見するかもしれません。しかし、あなたの夢の話を次に語る人は、夢と死の両方が午前3時頃に起こったと言うかもしれません。その次の人は、それが正確に午前3時に起こったと主張するでしょう。時が経つにつれて、これらの小さな脚色が、単純な偶然を超常現象に変えてしまうのです。
現象には科学的な説明があり、それを超自然的と呼ぶことで理解する能力を制限してしまう
私たちが「奇跡」や「超自然的な出来事」と呼ぶものの中には、説明がつかないように思えるものがあります。しかし、それらは本当にそうでしょうか？ 奇跡の代替説明を検討し、これらの競合する説明の可能性を比較することは、一見不可解なことがなぜ、どのように起こるのかを見分ける良い方法です。
有名なスコットランドの哲学者デイヴィッド・ヒュームは、奇跡について考えるための巧妙なヒューリスティック（発見的手法）を提唱しました。ありそうもない出来事は、その出来事に対する他の考えられるすべての説明がさらに可能性が低く、したがってさらに大きな奇跡である場合にのみ、「奇跡」と見なされるべきだ、というものです。
例えば、イエスが水をワインに変えた有名な話を誰もが知っています。次の説明のうち、どれが最も可能性が高いでしょうか？
- それは実際に起こった。H₂O分子がワインの成分に再配列された。
- それは巧妙な手品だった。
- そのようなことは実際には起こらなかった。それは誰かが作り上げた話か、実際に起こった別の何かの誤解である。
ヒュームの論理によれば、どの出来事が最も可能性が高いでしょうか？
さらに、何かを今理解できないからといって、将来それを理解できないわけではありません。何かが超自然的だと主張することは、それを説明できるという希望をすべて放棄し、私たちが努力することを完全にやめさせてしまいます。
科学者は、既存のモデルで何かを説明できないとき、諦めたりしません。彼らはこれを機会と見なし、モデルを改良し真実に近づくよう自らに挑戦します。
実際、科学史は、かつては本質的に超自然的だと考えられていた出来事が、完全に論理的な説明があることが判明したという事例で満ちています。
例えば、人類はかつて、地震は怒った神々や精霊によって下される、人類の罪に対する罰であると信じていました。しかし今日では、地震がプレートの動きによって引き起こされる自然現象であることがわかっています。それは人類の道徳的失敗とは全く関係がありません。
何かが奇跡のように思われるなら、私たちはそれを挑戦、すなわち自然な説明を見つけるための挑戦と見なすべきです。
最終的な要約
この本の重要なメッセージ：
科学の歴史は、超自然的な説明は宇宙を説明するのに必要ではなく、科学によって与えられる答えは、人間によって作り上げられたどんな超自然的な説明よりもはるかに美しく、魔法のようであることを示しています。今すぐすべてを説明することはできませんが、科学的思考は私たちを真実にますます近づけてくれるでしょう。
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