マクスウェル――光

一　別々の部屋から来た数字

電気と磁気を調べていた人が、計算の先で光に出会う。この話のおもしろさは、天才だけに見えたひらめきよりも、別々の道から来た数字がよく似ていたことにある。電気の測定値が、部屋を横切り、紙の上を明るくするものの速さについて語り始めた。

一八六〇年代の初め、マクスウェルはロンドンのキングズ・カレッジで教えていた。電磁的な変化がどう伝わるかを考え、ウェーバーとコールラウシュが測定した二種類の電気単位の関係を用いると、当時測られていた光速に近い値が得られた。数字は、答えを合わせるために選んだものではない。他の人が積み上げた実験の結果だった。

現代の測定のように、細かな桁までぴたりと一致したわけではない。それでも、真剣に問わずにはいられないほど近かった。光と呼んでいるものは、電磁的な乱れの伝わりなのだろうか。いま計算の紙を照らしている光も、導線や磁石の周囲で起きることと、同じ関係の中で理解できるのだろうか。

静止した磁石と光線が同じものになる、という意味ではない。光は電磁場を伝わる波として捉えられる。電場、磁場、放射の違いは残る。その違いを保ったまま、これまで別々に調べていた現象が共通の法則で結びつく。統一のおもしろさは、違いを消すところにはなかった。

一八六一年から六二年の論文で、彼はまだ空間を満たす機械的な媒質を想像している。そこには回転があり、弾性があり、変位がある。後の物理学はこうした具体的なエーテル像を手放していくが、そこで見つかった重要な関係は働き続ける。発見を助けた足場と、発見そのものの寿命は同じではない。

二つの数字を並べる、小さな動作に少しとどまってみたい。片方は電気の研究から、もう片方は光の研究から来た。どうしてこれほど近いのか。一つの部屋で問いを追っているうち、隣の部屋への扉が見つかる。扉の向こうを確かめる仕事は、まだこれから始まる。

二　それで、どう動くのか

ジェームズ・クラーク・マクスウェルは一八三一年六月十三日、エディンバラに生まれ、幼い頃をスコットランドのグレンレアで過ごした。初期の伝記は、物がどう動くのかをしつこく尋ねる子どもの姿を伝えている。大まかな説明では満足しない。この物が、このように動く仕組みを知りたかった。

子どもの問いに、大人はしばしば名前で答える。機械だから。磁石だから。電気が流れるから。名前は、説明の始まるはずの場所をふさいでしまうことがある。後年の彼の仕事にも、あの不満が生きている。何と呼ぶかはわかった。それで、実際には何が起きているのだろう。

母親を亡くしたのは八歳のときだった。エディンバラの学校では、服装や振る舞いが周囲と違うためにからかわれた。早い時期の成功とともに、そんな日々も彼の人生に含まれる。好奇心が育つことと、他人から傷つけられなくなることは別だ。子どもの鋭さは、子どもであることを取り除かない。

十四歳の頃、ひもを使って卵形の曲線を描く方法を調べ、その仕事はエディンバラ王立協会に紹介された。手の動きと幾何学が、すでに隣り合っている。ひもの配置を変えると、紙の上の形も変わる。道具を使うことで、考えを確かめられる問いにしていく。

エディンバラ大学で学んだ後、一八五〇年にケンブリッジへ進み、五四年の数学試験では第二位となった。第一位のラウスも、後に力学や安定性の研究で重要な仕事を残す。その年の成績表は、そこでの達成を記録する。しかし若者たちの一生の順序まで、先に決めることはできない。

やがてマクスウェルは土星の環、色、気体を調べ、装置を作り、詩を書く。好奇心は彼に一種類の姿勢だけを求めなかった。計算が必要な日もある。手を動かす日もある。美しい言い回しがまだ何も説明していないと認め、問い直すところから始める日もあった。

三　理解した先で、仕事を続ける

ファラデーの仕事は、長い実験、測定、比較、理論的な思索から成り立っている。力線によって、空間の各所の関係が研究の対象になった。離れた物体同士が理由のわからない力で引き合う、と述べるだけで終わらない。間にある空間で何が変わるのかを、さらに尋ねられるようになる。

光も、すでにその問いの中にあった。一八四五年、ファラデーは物質を通る光の偏光に磁気が作用することを発見し、翌年には光の振動と力線との関係を論じた。進む方向は示されていた。そこから、後にマクスウェルが築く定量的な電磁理論へは、なお仕事が必要だった。

一八五五年から五六年に発表された「ファラデーの力線について」は、彼の初期の応答である。数学的な類比を使うと、力線の分布や変化を計算によって追う道が開ける。考えを別の言葉で表すことは、ただ言い換えることにとどまらない。以前は曖昧にできた部分が、より正確な答えを求め始める。

一八五七年三月、ファラデーは手紙で、この強力な数学が自分の主題に使われたことへの最初の驚きと、読み進めて得た励ましを伝えた。異なる能力が、会話を続ける理由になっている。若い人が新しいことを述べるために、年長者が消える必要はない。二人の間に、次の仕事が生まれる。

マクスウェル自身も装置を設計し、測り、試した。ファラデーも高度な数学教育を受けずに、理論的に考えた。互いに欠けた半分を補う存在ではなく、それぞれに思考と技術を備えた二人として見るほうが、この関係は豊かになる。手も思考も、片方だけの持ち物ではなかった。

テスラ、エジソン、スピノザを読んだ後では、この往復書簡に、なじみのある問いが別の形で現れる。受け取った仕事を、そのまま保存するのか。それを使って先へ進むのか。マクスウェルの敬意には、ファラデーの問いをファラデーがまだ行っていない場所へ運ぶことも含まれていた。

四　導線のない隙間

二枚の金属板が離れて置かれ、それぞれ回路につながっているところを考えよう。充電すると、板に電荷がたまる。導線の中の変化は比較的想像しやすい。しかし二枚の板の間には、普通の導電経路がない。この隙間で起きることも、装置全体の説明に入れなければならない。

現在の言葉なら、時間とともに変化する電場が、磁場を定める関係に寄与する。これが変位電流の項の中心になる。隙間に見えない細い金属線を置くわけではない。また、導線の中と同じように、導電にかかわる電荷が必ず板と板の間を横切るという意味でもない。

マクスウェルは、機械的な模型、媒質の弾性、電気的な変位を考えながら、そこへたどり着いた。対称な式が美しいからというだけでは、その道筋を説明できない。今日の見方では、この補いによって場の式と電荷の保存も両立する。問いが求める複数の条件が、一つの場所で結びつく。

結び合わされた式は、場の乱れが波として伝わることを許す。電気と磁気の変化が、関連した法則に従うのである。発生源からエネルギーが供給され、乱れが伝わる。二つの小さな生き物が追いかけ合い、無からエネルギーを作るという話ではない。どんな条件で伝わるかを、式が具体的に教えてくれる。

胸が躍るのは、答えが出発点の装置から遠くへ届くところだ。導線と板と隙間を丁寧に扱っていたら、理論が遠方の光について語り始める。数学は、既知の事実を整理するだけではなく、実験に渡せる新しい問いを作る。何を確かめればよいかが、以前より明瞭になる。

式に可能性が現れても、自然が先に同意したことにはならない。模型には限界があり、測定値は修正され、結果には成立する条件がある。それでも他の人は、論理をたどり、装置を用意して、一致する場所と食い違う場所を調べられる。問いが、誰か一人の確信を離れて使える形になる。

五　後の人が書く四行

「電磁場の動力学的理論」は一八六四年十二月に王立協会で発表され、翌年刊行された。その一般的な記述は、二十の変数と二十の成分方程式を用いていた。今日の教科書で目にする四本のベクトル方程式は、彼が書いたページをそのまま写したものではない。

ヘヴィサイドやヘルツらが、後に電磁理論の表現を組み直す。現代のベクトル記法にも別の発展の歴史がある。マクスウェルの名を冠するのはふさわしい。そのうえで、この使いやすい簡潔さには、後の人の仕事も含まれる。継承は、書き方を変え、次の読者が入れる道を用意することでもある。

一八八〇年代、ヘルツは電磁波を実験で発生させ、その性質を調べた。予測を支える決定的な成果だった。ただし、それによって昔のエーテルの機械的なイメージまで、すべて正しいと認められたわけではない。よく働く関係を受け継ぎながら、どの足場がまだ必要かを調べ直すことができる。

ニュートンと並べると、統一の意味が見えやすい。彼は天体と地上の運動を共通の法則で捉えた。マクスウェルは電気、磁気、光をつないだ。異なる現象を同じものだと言い張るのではなく、異なったまま一つの関係の中で説明する。目の前の違いは、消されるのでなく、理解を与えられる。

電磁理論は、運動についての新たな難問も残した。互いに等速で動く観測者は、測定をどう比べればよいのか。光速をどう扱うのか。一九〇五年、アインシュタインは相対性原理と真空中の光速度不変を出発点に、時間と空間を考え直す。この先の一歩には、さらに別の仕事が必要だった。

ニュートン力学も、適切な速度や条件では非常に役に立ち続ける。後の理解は、以前のものがどこで有効かを見分ける。マクスウェルが残したのは、強力な理論と、その先を他の人が引き受けられるほど明確になった問題だった。すべてが終わっていたのではなく、続ける場所が用意されていた。

六　彼にも手があった

マクスウェルにチョークだけを持たせると、仕事のかなりの部分が見えなくなる。色の円盤、光学装置、気体の粘性を測る器具も、彼の日々を占めていた。式を立てると、再び材料の前へ戻る。考えた通りに本当に変化するのか。答えには、測定器の前で待つ時間が必要なこともある。

一八六一年のカラー画像の実演には、その姿がよく見える。写真家トマス・サットンがマクスウェルと協力し、異なるフィルターを通してタータン柄のリボンを撮影した。分かれた像を重ねて投影すると、色を再現できる。今日のカラーカメラにつながる長い歴史の中で、一つの方法を複数の手が示した。

当時の感光材料が応答できる色には限りがあり、実演の具体的な仕組みは「最初のカラー写真」という短い物語より複雑である。それでも問いは明快だ。色の見え方を分析し、適切な光の組み合わせで再び作れるだろうか。見るという行為そのものが、比較し、試し、測る対象になる。

妻のキャサリンも、色や気体の実験に参加した。彼女は家庭で励ます人としてだけでなく、仕事の場にもいた。条件を整え、値を読み、測定を続けられるようにすることは、知識を作る一部である。論文の上に一つの名前が載っていても、部屋の中に一組の手しかなかったとは限らない。

気体を研究するとき、マクスウェルは問いの尺度も変えた。分子は全部同じ速さで動いてはいない。一個ずつ追えるふりをする代わりに、多くの分子の中で速さがどう分布するかを調べる。統計的な記述によって、個々の違いを残したまま、大量の運動を別の仕方で厳密に扱えるようになる。

後に「マクスウェルの悪魔」と呼ばれる、分子を選り分ける小さな門番の想像も、微視的な運動と熱力学的な規則性を問うものだった。思考実験であって、第二法則を反証したという宣言ではない。情報や物理的な操作、その費用については、後の研究者がさらに問いを重ねていく。小さな扉は、次の研究への入口にもなる。

七　続けるための場所を作る

一八六五年にキングズ・カレッジを辞した後、マクスウェルはグレンレアへ戻った。屋敷のこと、日々の暮らし、キャサリンとの生活の中で、研究を整理し、書き進める。電磁理論の重要な部分はすでにロンドン時代に生まれていた。田園での時間は、その仕事に別のリズムを与えた。

一八七三年刊行の二巻本『電気磁気論』は、大きな研究の蓄積を、他の人が学び、論じ、使える形に組み立てた。発見を伝えることと、読者が中へ入れる本を作ることは異なる労働である。読み始める人は何を知っているか。どの段階で道を失うか。書き手はそちら側も想像する。

一八七一年、彼はケンブリッジ最初のキャヴェンディッシュ実験物理学教授に就いた。研究所の計画に関わり、建設を監督し、一八七四年に開所を迎える。仕事はまた形を変えた。今度は、紙に記された関係を他の人が自分で調べるための、部屋と器具を用意する仕事だった。

電気の標準、正確な測定、機器の配置、学生の訓練には根気が要る。突然の着想ほど、記念の物語にはしやすくない。それでも、誰かが結果を再現し、誤差を見つけ、その先へ一歩進めるかどうかは、こうした条件にかかっている。正確さも、自分を支える具体的な場所を必要とする。

人が残すものには、自然法則とともに、他の人が使える作業台もある。研究所は機会を広げたが、当時の大学には、誰が入れるかについて現実の制限があった。後に育った公共的な価値は、その制限を消さない。装置の前に座れる人と、まだ外にいる人の両方へ、目を向けさせる。

グレンレアでは書き、ケンブリッジでは実験の条件を作り、手紙が場所を結ぶ。静かな時間と組織の仕事、一人ですることと誰かとすることが、限られた一生の時間を分け合う。他の人の仕事が可能になるように費やした時間も、その人生が成し遂げたものの中に入る。

八　四十八年の、その後

マクスウェルは一八七九年十一月五日、腹部のがんにより、ケンブリッジで亡くなった。四十八歳だった。グレンレアに近いパートンに葬られた。光が空間をどう進むかを記述できても、自分の身体が耐えられる時間が延びるわけではない。彼にも、他の人の世話が必要だった。

伝記には、終わりの日々の苦痛と、病気のキャサリンへの気遣いが記されている。その思いやりは、黙って苦しみに耐えることを偉人の条件にしなくても受け取れる。助けを求めても、発見の価値は少しも減らない。弱った身体は、それまでの仕事を取り消すのではなく、今ここでの応答を求めている。

彼はヘルツの後の実験を見ず、無線通信や相対論が発展する時代も見なかった。私たちに身近な応用のすべてが、彼の机の中で完成して待っていたのではない。他の人の実験、技術上の選択、判断が必要だった。その不確かさと努力もまた、仕事が先へ進んだ歴史の一部である。

一生を越えて残る仕事は、記念板の名前以上のものになる。読まれ、疑われ、書き直され、ときには分解されて別の使い方をされる。作者がいなくても、受け取った人はそれを使って、作者自身がしていないことを行える。続きが、本当に他の人へ開かれている。

これは、死後の役立ち方で人の価値を採点する話ではない。方程式を残さない人も、大切に扱われるに値する。マクスウェルの場合には、一つの伝わり方がはっきり見えるだけだ。成果には彼の努力が宿る。しかしその先まで、いつまでも彼一人が所有し、指図する必要はない。

紙の上の記号が光を作ったのではなかった。それは、すでに目の前に落ちていた光を理解する助けになった。世界は、物理学者に理解されるまで存在を待ってはいない。それでも理解を他の人へ渡せる形で書くことによって、誰かが自分の足で進める道を一本、増やすことはできる。

九　明るくなった作業台

最後に、この連作が思い描く架空の橋へ戻ろう。ファラデーが装置を机のそばへ置き、マクスウェルが紙を広げる。二人は同じ高さに座れる。どちらも、まだわからない箇所を指せる。それぞれの問いに場所があることから、この場面は始まる。

ファラデーがある変化を示す。マクスウェルは関係を書き、途中で手を止め、二人で装置を見直す。式が先回りして実験の答えを選ぶわけではない。紙と器具の間を往復するうち、考えは具体的になり、一つを言い切り、足りないところへまた戻ってくる。

キャサリンが測定の記録を、サットンが画像の材料を持ってくる。架空の机に二人を招くのは、有名な成果の周りにある手を、見えるままにしておくためだ。マクスウェルの席はそのままでよい。周囲に仕事の姿が増え、何をする必要があったのかが、もっとよく見えるようになる。

スピノザのレンズは、まだ柔らかな布に包まれている。ボーヴォワールは鏡をずらし、紙の場所を空ける。チェーホフは疲れた人に気づき、椅子を寄せる。同じ場にいても、同じ方程式で全員の事情を語ることはできない。互いの声を聴くには、別の言葉も必要になる。

マクスウェルは一行を書き終え、少し待ってから、上のほうの記号を直す。仕事の紙には訂正があってよい。他の人に渡された考えは、その人の疑問や、まだ予想されていない変更のために、余白を残せる。丁寧に書くことは、触ってはいけない碑文を作ることとは違う。

橋の灯りが机を照らしている。チョークが光を生んだのでも、式が集まった人々の人生に判決を下したのでもない。先ほどまで見分けにくかった線が、少し読みやすくなった。離れて立っていた人も、近づいて身をかがめ、自分の目で見ることができる。

マクスウェルは紙を少し外へ押し出す。別の研究室へ持っていってもよい。違う記法にし、新しい確かめ方を考えてもよい。続けるために作者と同じ姿勢を取る必要はない。必要なのは、作者が中央からいなくなった後も、問いに取り組める道が残っていることだ。

彼は四十八年を生きた。机の上の仕事は、その一生の終わりで止まらなかった。紙に光が落ちている。次の読者が身を寄せ、読み始める。