『直立する思考者たち』(2015) は、科学の魅力的な進化の道のりをたどり、ガリレオからアインシュタイン、ハイゼンベルクに至る主要な科学者たちの足跡と影響を明らかにします。人類が火を制御する術を学んだ瞬間まで時を遡り、最後には量子力学の簡潔な解説にたどり着くでしょう。
この本から得られること――科学がどのようにして今日の姿になったのか
科学は私たちの日常生活で信じられないほど重要な役割を果たしているため、科学という分野自体が人類の歴史とともに古くから存在してきたと思われがちです。しかし、それは事実とはかけ離れています。実際の科学の発展は、自然界の最も基本的な観察から現代の驚異的な技術進歩に至るまで、無数の小さな積み重ねの上に成り立っています。では、それはいったいどこから始まったのでしょうか。
人類はいつから科学的に考え始めたのか？ そして、ここまでの発展はどのようにして可能だったのか？ これらの問いに答えるために、本書は過去5000年にわたる科学の歩みを時間の旅へと誘います。この中で、次のようなことを学べるでしょう。
- 17世紀の化学者が「ネズミはある衣類から生まれる」と考えていたこと
- 紀元前2000年のバビロニアで算術がどのように使われていたか
- デンマークの物理学者ニールス・ボーアが原子モデルに革命をもたらした経緯
科学的思考の土台は、好奇心旺盛な人々の協力から生まれた
「ローマは一日にしてならず」と言われるように、科学的思考も一夜にして生まれたわけではありません。人類が科学的方法と分析を発展させるには、途方もなく長い時間がかかりました。その大きな突破口にわたしたちが感謝すべきは、人間の本性と生来の好奇心です。人類の進化を通じて、好奇心と創意工夫は種の存続に不可欠でした。
初期の人類が生み出した道具や、火を制御するすべを学んだことは、自分たちの食料を確保し、サーベルタイガーのような捕食者を遠ざけるために極めて重要でした。この種の好奇心と問題解決の才覚は、常に人間の本性に固有のものです。チンパンジーとは違い、人間の子どもはおもちゃで遊ぶとき、それがどう動くのか、なぜ積み木の塔が崩れてしまうのかを熱心に解き明かそうとします。他の種に比べて好奇心がすでに優位性をもたらしていたなか、人類が互いに協力し合って暮らすようになってから、イノベーションは本格的に加速しました。約11,500年前、現在のトルコにあたる地域で人々は神を崇め、アイデアを交換する初期の共同体を形成しました。共同生活には多くの利点があり、その筆頭は、過去の経験を共有し、知識の蓄積を活用して灌漑システムのような初期のイノベーションを生み出せるようになったことです。
これは、GoogleやAppleのような創造的な企業の社員間で行われるブレインストーミングや問題解決と本質的に同じです。共同生活のもう一つの利点は、仕事の分配を可能にしたことです。紀元前7000年頃のメソポタミアでは、共同体の中で仕事を割り当てるようになり、個人は生存に必要なあらゆる活動にあれこれ悩むことなく、毎日一つの仕事に集中できるようになりました。これはやがて、パン職人、醸造家、鍛冶屋といった職業の誕生へとつながりました。そしてこの分業が、約5000年前に学校の登場を促し、人々がその道の専門家から専門知識を学ぶ場を与えたのです。
文字、読解、数学が社会と科学の進歩の中心にあった
知識の共有は人類にとって大きな飛躍でした。しかし、それらの情報はすべて口頭で伝えられていたため、やがて人々はそれを標準化された方法で記録する必要があると気づきました。そうすれば、移動中も知識を携えて共有でき、後の世代へ情報を保存できるからです。このため人類は読み書きを発展させましたが、それにはかなりの時間がかかりました。
文字を書こうとした最古の記録は、紀元前3000年頃のメソポタミアにさかのぼります。この初期の原始的な文字は絵文字で、動物を大まかに描いたような記号から成り立っていました。しかし、単純であっても、人々が取引の記録を残し始めることを可能にし、まもなく共同体や商取引は経済的に発展していきました。紀元前2900年を過ぎると、人々はさまざまな記号を組み合わせ、絵文字では捉えきれなかった複雑な概念を表現するようになります。これは学校教育にとてつもない恩恵をもたらしました。地質学や医学といった分野の科学的概念を文字にして、何世代もの学生に残せるようになったのです。数学が簡単な計算や予測に用いられていた最古の証拠は、紀元前2000年頃にさかのぼります。
非常に限定的な数学でしたが、多くの職業で役立ちました。たとえば、ある事業に必要な時間と労働力を見積もる際、取り除くべき土の量を計算し、それを一人の作業員が一日に動かせる量で割る、といったことが可能になりました。幾何学の最初の痕跡もこの時代にまでさかのぼります。たとえばエジプト人は、土地の境界を定めるために広い面積の表面を測定する方法を編み出しました。これらはもちろん重要な進歩でしたが、現代科学を可能にする加減乗除の標準的な体系をインドの数学者たちが発明するまでには、さらに2000年が必要でした。
古代ギリシャ人は合理的に考え、科学理論を発展させた先駆者だ
数学は現代科学の重要な礎石であるだけではありません。科学の進歩には、正しい問いを投げかける合理的な精神も必要でした。ここで古代ギリシャの人々が極めて重要な役割を果たしました。紀元前600年頃、ギリシャの重要な思想家たちは、世界の自然現象が神々の仕業であるという一般的な信念に疑問を投げかけることで、まったく新しい探究の形を発展させ始めました。ミレトスのタレスのような哲学者が、地震などの自然災害は神が起こすのではないかもしれないと推測し始めたことは、大きな科学的突破口でした。
タレスは「世界は水に浮かんでいて、地震はその水の乱れから生じる」という誤った理論を唱えましたが、それでも合理的な問いを発したこと自体が重要な進歩だったのです。このまったく新しい思考法とともに、古代ギリシャ人は物理学を研究し、科学実験を始めた最初の人々でもありました。哲学者であり数学者でもあったピタゴラスはその好例で、科学と数学を通じて自然と世界をより深く理解しようと努めました。彼の多くの実験の一つに、楽器の弦を分析し、短い弦が高い音を出す科学的理由を初めて見いだし、結果を数式に表したものがあります。アリストテレスもこの時代の科学的突破に寄与しました。彼は、自分やタレスのように合理的かつ科学的な問いを投げかける人々を指す「物理学者」という言葉を導入した人物とさえ言われています。
そして紀元前350年頃、アリストテレスは「自然変化」と「強制的変化」の違いについて考察し、初期の物理学理論の一つを打ち立てました。彼は、あらゆるものには内在する可能性があり、それは人間が普通に歳をとることや、鳥が空を飛ぶことのように、自然変化を通じて到達されると考えました。しかし、投げられた石が鳥を打ち落とすような強制的変化も起こります。アリストテレスは、強制的変化には必ず原因があるはずだと考え、それを端的に「力」と呼びました。
物理学は先行する理論を抽象化と努力によって拡張することで発展した
現代科学への行進は、1450年以降、新種の科学的思考者たちが古い観察結果を大胆かつ刺激的な新しい方法で発展させ始めたことで、猛然と加速し始めました。この頃、物理学者ガリレオ・ガリレイは、自身の精密な実験を行いながら、過去の原始的な実験結果をより現代的で抽象的な科学的頭脳で見つめ直しました。ガリレオは一般化された観察を行う代わりに、自ら実験を設計し、速度や運動の観察結果に正確な測定値を与えた最初の一人です。自ら多くの実験を行う一方で――たとえば、水を満たしたバケツに穴を開けて空になる時間を測るなど――直接観察できない現象もありました。
しかし、それで立ち止まることはありませんでした。ガリレオは抽象化を用いて、ある一連の結果から別の現象についての予測を立てました。そうすることで、彼は現代の科学的方法への道を開いたのです。たとえばガリレオは、青銅の球が空気中を自由落下する速度を知るために、まずさまざまな角度で滑らかな面を転がる速度を調べ、それらの結果を比較すればよいことを発見しました。アイザック・ニュートンもまた落下する物体に興味を持った人物でしたが――よく知られた逸話とは違い、彼の科学上の突破口は木から落ちるリンゴの結果ではありませんでした。
ニュートンは献身的な科学者であり、その成功は何年もの研究と週100時間に及ぶ労働の賜物でした。あまりに疲れを知らずに働いたため、食事をする時間を見つけられず、飼い猫が彼の食事を代わりに食べてすっかり太ってしまった、という伝説さえあります。時には自分の身体を使って実験することもありました。現在では極めて危険とわかっていることですが、ニュートンはかつてできるだけ長く太陽を直視してその結果を記録しました。彼は、一定時間が過ぎると色が歪んで見えることを発見し、それが「光とは想像力の産物なのではないか」という疑念を抱かせ、さらなる研究へと彼を駆り立てたのです。
化学は実験的な工芸から始まり、世界を変える科学へと育った
物理学とは異なり、化学は17世紀になるまで一般に普及した科学として本格的に離陸しませんでした。現在では化学が科学の根幹をなす一部に思えるかもしれませんが、科学の黎明期において、化学者たちは試験管をいじって面白い結果を期待する子どものようなものでした。実際、化学はかつて科学者というよりも職人の仕事でした。これはミイラ作りの発明にまでさかのぼります。人々が遺体を保存しようと特定の物質を組み合わせるうちに発見された技術です。
そうした試みが進歩し、化学の助けを借りれば一つの物質を別の物質に変えられると判明すると、すぐに科学的推論が適用されるようになりました。そして水が突然空気に変わるならば、何かを黄金に変えられる物質があるのではないかと人々が思い至るまで、さほど時間はかかりませんでした。しかし、錬金術師たちがどんなに努力しても、決して金を作り出すことはできませんでした。16世紀、真の化学者の先駆けとされる革命的なスイスの錬金術師パラケルススが、化学に体系的な手順を導入し、元素を病気の治療に使うというアイデアをもたらしました。パラケルススの後、化学は正統な科学分野としての評判を獲得し、人々は元素同士がどのように相互作用し、どのように構造化されているかを理解し始めました。さらに17世紀には、哲学者であり物理学者、化学者、そして裕福な伯爵でもあったロバート・ボイルが、初めて化学に科学的思考を実際に適用したことで、いっそうの進歩がもたらされました。
研究と実験の末に彼は、沸騰する水の要素は火と空気と水だけだという広く信じられていた考えに異議を唱えました。彼は、それらの物質が実際には他の元素からできていると最初に示唆した人物です。これらの進展が、18世紀に化学をさらに推し進めたフランスの化学者アントワーヌ・ラボアジエへの道を開きました。さまざまな物質を精密に計量する中で、ラボアジエは気体や固体などの異なる元素が条件次第で融合したり反発したりすることを発見しました。ラボアジエはまた、酸化水銀を加熱するとその過程で酸素が放出されることを発見し、もう一つの重要な発見を成し遂げました。
初歩的だった生物学もチャールズ・ダーウィンの不断の努力によって進化した
科学が進化を続けて17～18世紀に至ると、発見の数々が生物学の分野や人間の動物理解にも影響を及ぼし始めました。今日ではダーウィンの進化論は常識とされ、現代遺伝学が多くの謎に答えを出していますが、数世紀前の動物界に対する理解はかなり原始的なものでした。長いあいだ、種の発達について広く信じられていた理論の一つに「自然発生」――単純な生物が他の物質から自然に生じるという考え――がありました。17世紀のフランドルの化学者ヤン・バプティスト・ファン・ヘルモントは、小麦粒と汚れた下着を混ぜて21日間放置すればネズミを作り出せると提案したほどです。
しかしこうした理論は、17世紀初頭に顕微鏡が発明されたあと、変わり始めました。科学者たちは、ウジのような小さな生物にも生殖器官があり、これまでの想像をはるかに超えて複雑であることを発見したのです。生物学についてまだ多くを学ぶ必要があることは明らかで、大きな進展が訪れたのは1859年にチャールズ・ダーウィンの『種の起源』が出版された時でした。ダーウィンの進化への理解は、科学者たちが新たな土地を探査し、丹念な観察を行えるようになった結果でした。ダーウィンは南米を訪れ、ある属の中で一種の種が絶滅すると、同じ種類の別の種がその後を継ぐことに気づきました。彼は、競争と生息環境への適応能力によって優位に立った種が生き残り、やがて繁栄するのだと結論づけました。
ダーウィンが数年にわたって観察を続けるなかで、いくつかの形質はまったくの偶然で生じることにも気づきました。たとえば、ごくまれにキンカチョウの仲間に、通常の赤ではなく青い羽を持つものがいるのです。彼はこの現象を「ランダムな変異」と名付けました。またダーウィンは、成長しつつあった科学者のネットワークと新しい「ペニー郵便」制度を利用して同僚からデータを収集・統合し、自然淘汰とランダム変異がどのように組み合わさって働くかという理論を生み出すことができました。
科学が原子の世界を受け入れたとき、物理学は大きく飛躍した
画期的な発見がなされると、それによって解明すべき秘密がすべて明らかになったと人々が考えるのは、決して珍しいことではありませんでした。これはアイザック・ニュートンの発見後の物理学において特に顕著で、ハーバード大学の志願者たちは、もはや研究すべき重要なことは何も残っていないとさえ告げられたのです。しかし20世紀の幕開けに、少数の優れた科学者たちがそれまで未知だった原子の世界を詳しく調べ始めたことで、すべてが一変しました。ドイツの物理学者マックス・プランクは当初、原子の重要性に懐疑的でしたが、すぐに考えを改めざるを得ませんでした。物質が原子粒子からできているという考えを考慮に入れなければ、自らの発見を説明できないことが明白になったのです。
プランクは光や熱などによって生み出される放射を研究し、このエネルギーは素粒子レベルを超えてそれより小さな尺度でしか表現できないことを発見しました。しかし、プランクの理論は発表後、温かく迎えられたわけではありません。彼の研究は科学界で広く信じられていた考えに反しており、ノーベル賞をようやく受賞するまでには20年を要しました。1905年までには、アルバート・アインシュタインがプランクのアイデアを次の段階へ進め、原子の存在を証明した最初の一人となる準備ができていました。
アインシュタインは花粉の塵のような小さな粒子の動きを観察することでこれを行いました。水中の小さな花粉片の一見不規則な動きが、原子レベルに目を向け、四方八方から花粉に衝突する水分子の影響を考慮することで説明できることを発見したのです。アインシュタインはまた、プランクの放射研究をさらに発展させ、光エネルギーをより詳しく調べ、これも光子と呼ばれる粒子から成ることを見いだしました。
二人の熱心な研究者の緻密な仕事が原子の構造を明らかにし、物理学はさらに進展した
プランクとアインシュタインの業績は、人々の日常生活が目に見えないものによって影響されていると本質的に告げるものでした。これは慣れるまでに時間がかかりましたが、科学者たちはこの原子の世界の秘密を解き明かし続けようと熱心でした。原子が何からできているのかを突き止める過程で、物理学者ジョセフ・ジョン・トムソンは電子を発見し、原子は正に帯電した流体の中をいくつかの電子が回っている構造だと理論化しました。一方、パイプがむき出しになった薄汚く狭い地下室では、物理学者アーネスト・ラザフォードが放射性粒子を金箔に撃ち込み、その背後に置いた二枚目のシートに粒子が到達した位置を記録していました。
ラザフォードは奇妙なことに気づきました。金箔に向けて多くの粒子を発射した後、大半はまっすぐ通り抜けたものの、ごく一部が偏向していたのです。これを説明するためにラザフォードは、金箔の原子は中央の重い原子核の周りを自由に浮遊する電子が周回している構造だと提案しました。彼の発射した粒子のほとんどは、電子と原子核のあいだの隙間を通り抜けますが、偏向は粒子がまれに原子核に衝突した結果だというのです。ラザフォードの原子モデルは、基本的に今日の学校で教えられているものにほかなりません。しかし、1920年代にデンマークの物理学者ニールス・ボーアが原子モデルに重要な貢献を果たしました。ボーアは情熱的な科学者で、研究と発見が彼にとってあまりに大切だったため、新婚旅行をキャンセルして新妻に論文の口述筆記をさせたくらいです。
ボーアはラザフォードのモデルに欠陥を見いだしました。原子核の周りを回る電子同士の相互作用を説明できていないと考えたのです。彼は電子が互いに影響し合い、それによって軌道が乱れると提案しました。これによりボーアは、電子が外側の軌道へ飛び移るときに原子がエネルギーを失ったり得たりするという、極めて重要な改良を付け加えたのです。
目に見えないものを測るという難題が、量子論という重要な発展を生んだ
1900年代初頭の発見により、人々は原子の世界で何が起きているのかをかなりよく理解できるようになりました。しかし、目に見えないものをいかにして測定するかという問題は残ります。この難題を克服し、原子レベルで起きていることを正しく記述するために、物理学の新たな理論的アプローチが生み出されました。ドイツの物理学者ヴェルナー・ハイゼンベルクは、位置や速度といった概念は原子レベルでは観測不可能であり、したがって測定できないと考えました。そこで彼が打ち立てた量子論は、放射や振動数といった測定可能な要素だけに依存するよう設計されました。
ハイゼンベルクはまた、こうした情報を記述するためにまったく新しい言語である「スペクトルデータ」を考案しました。これが重要だったのは、私たちには見えないものに、とりうる値の全スペクトルを与えたからです。観測可能な光の色を表す単一の値だけを使う代わりに、スペクトルデータを用いれば、原子が発する理論上のあらゆる色を記述する値の配列が得られます。案の定、量子論は非常に有用であることが証明され、数多くの発明を促してきました。特に、原子レベルと観測レベルの両方で結果を説明し予測できるからです。しかし、ハイゼンベルクの手法は万人の好むところではありませんでした。依然としてかなり抽象的で、現実の世界に応用するのが難しかったのです。そこでオーストリアの物理学者エルヴィン・シュレーディンガーは、より親しみやすい量子物理学の適用体系を開発しました。それは、人々がもっと馴染んでいたニュートン的な記法に似たものでした。
これにより量子論がより取り組みやすくなっただけでなく、他の科学者や発明家たちがこれらの原理を自らの仕事に応用できるようにもなりました。時を経て、これがあなたが電子レンジでパスタを温め直したり、脳の三次元スキャンを受けたりすることを可能にしているのです。百世紀以上も前、メソポタミアの人々は目に見えない力の神秘的な力を信じて集まりました。今や私たちは、量子科学の恩恵によって異なる種類の未知の力を利用し、たとえば光ファイバーケーブルの力で互いにつながり合っています。
まとめ
本書の核心的メッセージ：科学の歴史的な進歩は、アイザック・ニュートンと有名なリンゴの逸話のような、奇跡的なひらめきの瞬間の結果として描かれることがあります。しかし実際には、勤勉さ、好奇心、協力、そして合理的思考といった美徳が、最も基本的な文字体系から現代の科学的イノベーションに至るまで、時代を超えて科学の驚くべき発展を押し進めてきたのです。 おすすめの関連書籍：『たまたま』 レナード・ムロディナウ著 本書は、私たちの生活において偶然が果たす役割について書かれています。近代統計学の歴史的ルーツを探るとともに、基本的な数学的原理を掘り下げ、酔っぱらいがまっすぐ歩けないように、私たちの人生の多くが純粋な偶然によって左右されていることを説き明かします。
