【第22号】ピラミッドのレントゲン写真?

エジプトの大ピラミッドの透視から「服が透けて見えるメガネ」の可能性まで
金谷一朗(いち) 2021.05.14
誰でも

いちです,おはようございます.

今週は物理学界きってのモテ男,ヨーロッパの光源氏,ノーベル賞物理学者エルヴィン・シュレーディンガーをご紹介する予定でした.しかし,ふたつの理由で後回しにさせていただこうと思います.理由その一は,シュレーディンガーの功績をお話するために「X線」についてお話する必要があること.そしてもう一つの理由が,次にご紹介する動画です.

先週,我々エジプト調査隊のリーダーでエジプト考古学者の河江肖剰(かわえゆきのり)先生がYouTubeで「大ピラミッドを透視する」話をされていました.名古屋大学の森島邦博先生が率いる研究チームが宇宙からやってくる「ミュー粒子」を使って,ギザの大ピラミッドの内部を透視して,未知の空洞を見つけたという話です.

そこで,今号では「透視」というメカニズムと,ピラミッドを透視してしまう「ミュー粒子」についてお話しようと思います.ミュー粒子は「ミューオン」と言ったり「μ粒子」あるいは単に「μ」と書くこともあります.この稿ではミュー粒子で統一しておきます.

あと,最後に中学生男子なら一度は妄想したことがある「服が透けて見えるメガネ」は可能かどうか,物理的な考察をしてみます.

レントゲンとX線

1901年,第1回ノーベル物理学賞はドイツの物理学者ヴィルヘルム・レントゲンに授与されました.彼は1895年に「X線」を発見したのです.X線の「X」は「未知」を表す数学記号で,レントゲンは「未知の放射線」という意味で「X線」と名付けたのでした.

クルックス管の例, Kkmurray, CC BY-SA 3.0
クルックス管の例, Kkmurray, CC BY-SA 3.0

19世紀の物理学者が研究に用いた装置に「クルックス管」という真空のガラス管があります.このガラス管は陽極(アノード)と陰極(カソード)というふたつの電極が取り付けられており,陽極にプラス,陰極にマイナスの電源端子を取り付けると,真空中を「何か」が流れるというものです.この「何か」はどうも陰極から飛び出して陽極に吸い込まれていくようなので,ひとまず「陰極線(カソードレイ)」と呼ばれました.

陰極線はクルックス管の中に残った僅かなガスを発光させたり,クルックス管に内側からぶつかってガラス面を発光させたりします.この性質を詳しく調べて,クルックス管内部にわざとガスを注入して光らせるようにしたのが夜の街でおなじみの「ネオン管」です.また,陰極線(カソードレイ)をあえてガラス面にぶつけて発光させるようにしたのが「陰極線管」または「カソードレイチューブ(CRT)」です.CRTはその発明者カール・フェルディナント・ブラウンの名前をとって「ブラウン管」とも呼びます.CRTではガラス面の内側に「蛍光物質」という,陰極線を当てると光を発する粉を塗って,光をより見やすくすることが行われていました.薄くなる前のTVはCRTを使っていました.そう言えばTVて,本体も薄くなりましたが内容も薄くなりましたね.

クルックス管の中の陰極線はほぼ全てがガラス面で遮られてしまいます.つまり,クルックス管から陰極線を取り出すことは出来ません.しかし,レントゲンはクルックス管により高い電圧をかけると陰極線を取り出せるのではないかと考えました.実際,クルックス管に5,000ボルトを超える高電圧をかけると,あることが起こり始めます.レントゲンが「X線」と名付けた「未知のなにか」がクルックス管から放射され始めるのです.

1895年11月8日に,レントゲンは高電圧をかけたクルックス管から未知の放射線が放出されていることに気づきました.彼はクルックス管のそばに置いてあった蛍光物質がかすかに光るところを見たのです.ちなみに,ご家庭の壁コンセントに来ている電圧は100ボルトですから「どんだけ高電圧持ってきてんねん!」となりますね.

世界で最初の一般向け送電が行われたのが1881年,イギリスのゴダルマイニングという街だそうです.アメリカの発明家トーマス・エジソンが発電所を実用化したのが1882年ですから,その1年前のことなんですね.世界最初の高圧送電は1891年,これもやはりイギリスのロンドンだったそうです.

レントゲンがX線の実験をしていたのはドイツの「ヴュルツブルク大学」でしたから,レントゲンの大学には電気が来ていなかったかもしれません.その場合は当時すでに実用化されていた発電機を使ってみたのでしょう.馬による発電というのも当時はあったようです.1馬力がおよそ700ワットですから,1割を電力に変換できたとするとエジソンの電球1個分ぐらいにはなったのでしょう.

いずれにせよ家庭用ではあり得ない数千から数万ボルトの電圧が必要だったため「誘導コイル」という瞬間的に高電圧を発するコイルが併用されました.

レントゲンはクルックス管からにじみ出てきた放射線が陰極線ではないことをすぐに見抜きました.当時は陰極線の正体も,レントゲンが見つけたX線の正体もわからなかったのですが,それらが別物であることはわかったのです.

陰極線の正体は,本誌【第19号】でもご紹介した「ベータ線」と同じ「電子(エレクトロン)」のビームでした.真空中に置かれた陽極と陰極の間に電圧をかけると,陰極から陽極へ向かって電子が飛んでいくのでした.

一方のX線は電子ビームではありません.X線は,陰極を飛び出した電子が陽極にぶつかったときに放出される,高エネルギーな「光子(フォトン)」だったのです.フォトンについてより詳しく知りたい方は本誌【第13号】をご参照ください.

レントゲンは知らないうちに,電子と光子というふたつの放射線を操っていたのです.これは偶然だったのですが,電子は「物質をつくる粒子」で,光子は「力を運ぶ粒子」という,宇宙を構成する2種類の粒子のそれぞれ代表でした.

光子はエネルギーが高いほど,透過力が高くなります.レントゲンの見つけた「X線」の光子は1,000ページ以上の紙を透過し,また薄い金属箔も透過しました.しかし鉛だけは透過できませんでした.

レントゲンはまた,蛍光物質の代わりに写真乾板を用いると,透視写真が撮影できることにも気づきました.これが「X線写真」です.レントゲンは嫌がったそうですが,X線写真のことを「レントゲン写真」とも言います.

胸部X線写真の例, CC BY-SA 3.0
胸部X線写真の例, CC BY-SA 3.0

X線は空気や筋肉をよく透過しますが,骨や金属の指輪によって遮られます.

透視するということは,ある物質に対してはよく透過し,別のある物質に対しては遮られる放射線が必要ということになります.X線は人体に対して大変便利な性質を持っていました.X線は皮膚や筋肉をよく通過しますし,肺に含まれる空気を難なく通過します.しかし骨を構成するカルシウムや,造影剤のバリウムには吸収されます.またX線は写真フィルムを感光させます.

胸部のX線写真を見ると,骨が白く,肺が黒く写っていることと思います.写真フィルムは感光すると黒くなるので,X線が吸収されてしまってフィルムに到達しなかった部分,つまり骨の部分が白く残り,ほとんど空気の肺や人体以外の部分は黒く塗られていきます.

X線は金属によって吸収されるのですが,例えばプラスチックにはあまり吸収されないので,人体以外でも例えば電子機器の透視写真を撮るのに使われたりします.電子機器の分解で有名なウェブサイト iFixIt ではアップルの iPad Pro 用マジックキーボードのX線写真を公開しています.

思いっきり中身が透けていますね.

しかし,例えば本を開かずに文字だけを読もうと思っても,X線では読むことが出来ません.X線は紙もインクも,同じように透過してしまうからです.SF文学の傑作「星を継ぐもの」では本を開くことなく中身を読む装置が出てきますが,これは紙とインクを区別出来ないといけないので,少なくともX線以外の方法が使われなくてはいけません.その本に金属インクが使われていない限りは.

宇宙からやってくる粒子

X線による透視には,材質を選ぶという問題の他に,より大きな実用上の問題があります.それは,透視したい物体のそばでX線を発生させないといけないということなのです.

皆さんも胸部X線写真を撮るために「X線検診車」に乗られたことがあるでしょう.X線検診車にはX線発生装置が搭載されています.

僕たちはウサギの心臓の超微細構造を調べるために,日本で一番高性能なX線発生装置のある場所まで出かけたことがあります.X線は透過度の弱い軟X線から,透過度の強い硬X線まで種類があるのですが,日本の大型放射光施設「Spring-8」は世界最高クラスの硬X線を放出できます.僕たちが向かったのもSpring-8でした.

Spring-8は電子を大きなループに放出してぐるぐる回すのですが,設置された西播磨は「手延べそうめん」の名産地でして,近所のお店ではぐるぐる回る「流しそうめん」をやっていました.

話を戻しましょう.

X線で何かを透視するには,まず対象がX線での透視に適していることと,X線源が近くに設置できることが必要でした.

これはウサギの心臓や僕たちの身体ぐらいのサイズならば問題になりません.

しかし,ピラミッドを透視したいとなると,大きな問題になるのです.ピラミッドは大雑把に言うと石と空気でできていますから,うまくすればX線で内部を透視できるかもしれません.しかし,ピラミッドサイズのX線源がありません.いえ,無くはないのですが,誰も核爆発を使いたくはないでしょう.

X線が無くても,透視する方法は無いでしょうか.

実は太陽光でも少しばかり透視することが出来ます.晴れた日に手のひらを太陽にかざしてみて下さい.わずかに,手の内側が見えることでしょう.このように自然由来の線源を使うことができれば,なんとかなるかもしれません.

そこで注目されたのが,宇宙から降り注ぐ「宇宙線」です.地球には宇宙から様々な放射線が降り注いでいます.主な成分は「陽子」なのですが,星屑とも言える小さな小さな原子や,他の粒子たちも降り注いでいます.1987年には日本の「カミオカンデ」が大マゼラン星雲の超新星爆発で生じた「ニュートリノ」という粒子を偶然発見しました.

宇宙線の一部は地球の大気にぶつかって,大気から新しい粒子を弾き飛ばします.これからお話する「ミュー粒子」もまた,そんな粒子のひとつです.

なお「陽子」「電子」「ニュートリノ」「ミュー粒子」は全て「物質を作る粒子」の種類です.物質を作る粒子は他に何種類も見つかっていて,ノーベル賞物理学者リチャード・ファインマンは「我々が抱える最大の問題は,粒子のための文字がもうあまり残っていないことだ」と言いました.陽子はp,電子はeというふうに記号を割り当てていくのですが,ニュートリノやミュー粒子が見つかったときにはアルファベットがかなり枯渇していました.ニュートリノはギリシア文字のニュー(ν),ミュー粒子はギリシア文字のミュー(μ)を使います.光子は英語でフォトン(photon)なのでpを使いたいところですが,記号pは「陽子」に予約されているために,代わりにギリシア文字のガンマ(γ)を使います.

これで物理学者が黒板に書き残したメッセージを読めますね.

ミュー粒子登場

ピラミッドを透視するための放射線とは,どのような性質を持っていなければならないでしょうか.

それはまず,宇宙由来で,地球上のどこでも手に入るものでなければなりません.

次に,それは空気ならば透過できるが,金属や石によって遮られる必要があります.

最後に,それは写真に映らなければなりません.

そのような都合の良い放射線はあるのでしょうか.陰極線あるいは同じことですがベータ線(β線)は空気中を長距離移動出来ないので却下です.X線は線源を用意しないといけないので話になりません.他に,例えば本誌【第19号】でお話した「アルファ線(α線)」は紙1枚で遮られてしまうので,これもまたアウトです.アルファ線は宇宙からたくさん降り注いでいるのですがね.

このようにして消去法で残ったのが「ミュー粒子」です.

1936年,宇宙から飛んでくる粒子を観測していた物理学者カール・アンダーソンとセス・ネッダーマイヤーは従来知られていなかった粒子を見つけました.それは電子と同じ電気的性質を持っていたのですが,電子よりも200倍も重かったのです.地上に立って水平に手のひらを広げると,およそ1秒に1個のミュー粒子が手のひらを貫通していきます.

ミュー粒子は平均してわずか2.2マイクロ秒で電子とニュートリノへと変化してしまいます.そのために,発見は電子よりもずっと遅れました.

ミュー粒子は非常に透過力が高く,岩盤や海水をキロメートル単位で通過しますが,まれに原子にぶつかって止まります.原子の種類にはほぼ影響されないようで,ミュー粒子が影響を受けるのは物質の「密度」ということになります.[参考文献1]

そして,ミュー粒子は写真フィルムに写ります.というより,写真フィルムが大変優秀なんですよね.写真フィルムはミュー粒子以外にも,光子だろうと電子だろうと,ほぼなんでも映し出します.写真フィルムが人の心を映し出せなかったことに人類は感謝すべきでしょう.そんな事になったら,心の平穏は1日たりと保てない気がします.[参考文献2]

ピラミッドを透視する

ミュー粒子をうまく使えば,物体の内部を透視できそうです.しかし,まだ解決しなければならない問題が残っています.

先程のX線写真を思い出してください.X線写真は「写真」なのです.つまり平面なわけですね.人体も複雑なので,例えばややこしい部位を骨折してしまうと一枚のX線写真だけでは診断がつかないことがあります.僕は以前肋骨を折ったことがあるのですが,脇腹のあたりだったので「何本折れているのか」が医師にも分かりづらかったようです.

医療用の「X線コンピュータ断層撮影(X線CT)」は線源を動かしていくことで,対象物の内部を立体的に透視するものです.

線源も対象物も自由に動かせない大ピラミッドでは,別な方法が用いられました.

通常の写真では,光がどの方角から飛んできたかを記録しません.写真フィルムの真上から入ってきた光も,斜め上から入ってきた光も,真横すれすれから入ってきた光も,同じ光の点として記録します.これでは何が写っているのかわからなくなるので,通常は写真フィルムの前にピンホールという穴を開けた板を置いたり,レンズを置いて光の経路を曲げたりします.またX線写真は対象物と写真フィルムとを出来るだけ密着させ,X線も一方向にだけ放射するように調整します.

名古屋大学のチームは,写真フィルムに入ってきたミュー粒子がどのような角度でやってきたのかを調べる技術を開発しました.これによって,透視対象の立体構造がわかるようになったのです.

ミュー粒子によるピラミッドの透視のイメージ , Image courtesy of ScanPyramids
ミュー粒子によるピラミッドの透視のイメージ , Image courtesy of ScanPyramids

何が見えたのか.

ぜひ冒頭にご紹介した動画で御覧ください.

この成果は2017年,英国の科学誌「ネイチャー」に掲載されました.[参考文献3]

服が透けて見えるメガネは可能?

最後に,中学生男子なら一度は妄想したことがある「服が透けて見えるメガネ」は物理学的に可能か,というお話をしておこうとおもいます.

透視には,線源と,対象と,受像機が必要でした.対象は服を着せた人体としましょう.

この号でご紹介したミュー粒子は,写真フィルムでしか捉えることができないので,リアルタイムに見ることは出来ません.「いや!写真でも構わないッ!」という心の声も聞こえてきそうですが,ミュー粒子は人間はおろか地中を数キロメートルまで貫通します.残念,人間をミュー粒子で撮影しても何も映らないのです.

X線はどうでしょうか.

X線は服を透過します.服を透過するのですが,皮膚も臓器も透過してしまいます.なので,もし携帯型のX線カメラとX線フラッシュみたいなものがあっても,骸骨の写真になってしまいます.骸骨フェチの僕は喜びますが,一般の中学生男子は喜ばないでしょう.本誌【第6号】には僕が小躍りしたX線写真へのリンクがありますので,よろしければバックナンバーをお読み下さい.

というのは置いておいて…

服,つまりは布だけを透過するような光線が欲しいわけですね.そうなると,人体の背後に光源を置くのではなく,人体の正面から光を当てて,どうにかして服を通り抜けて,皮膚で反射して,ふたたび服を通り抜けて受像機に戻ってくるような光が欲しいわけです.

これは物理学的には大変むずかしい問題です.というのも,服も人体も,おおよそ窒素と炭素と酸素と水素を混ぜ合わせたものであるという点では違いが無いからです.それでも,ある種の近赤外線は比較的布を透過しやすく,衣服を通して人体の表面を透視することを可能にします.1998年,ソニー製のビデオカメラに偶然この機能が搭載されてしまいました.日本未発売でしたが,世界では87万台が売れました.同社は問題に気づくと出荷を停止し,修正版を発売しました.

ただし,このビデオカメラはかなりの数の男性をがっかりさせたのも事実です.このビデオカメラで撮影したと主張する画像が日本の雑誌に掲載されたこともありますが,おそらくはフェイクでしょう.

もうひとつ,気をつけておきたいカメラがあります.最近は新型コロナウイルス感染症対策でも使われることの多い「サーモグラフィ」です.こちらは人体から発せられる「遠赤外線」を捉えます.つまり人体そのものが線源なのです.そして遠赤外線は十分薄い衣服であれば透過します.例えば湯上がりにバスタオル1枚,部屋には冷房が効いているという状況であれば,サーモグラフィを通して「だいたい裸」を見ることが出来ます.まあ,すでにそのような関係ならばサーモグラフィはいらないと思いますが.

他に,暑い日に冷房の効いた屋内に誰かが入ってくれば,サーモグラフィを通してその人の下着姿を見ることが出来る場合があります.

というわけで「服が透けて見えるメガネ」は可能かと言われれば,答えは「可能」となります.

(中学生の頃知りたかった…)

おすすめ書籍

量子力学を創始し,原子物理学の基礎を築いた人が追究した生命の本質とは? 本書は分子生物学の生みの親となった20世紀の名著である.生物現象ことに遺伝のしくみと染色体行動における物質の構造と法則を物理学と化学で説明し,生物における意義を究明する.負のエントロピー論や終章の哲学観など今も議論を呼ぶ科学の古典.
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冒頭でお伝えしたとおり,今週は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をご紹介する予定でした.同氏による本書は大変慎み深く,それでいて大胆で,後に「分子生物学」という新たな学問分野を構築することになる本です.

本書は物理学や生物学の専門家向けではないので,ある程度生命科学にご関心があれば読み進めていけると思います.なにせDNAの構造がまだわかっていない時代の本ですから,内容的には古いのですが,むしろ「DNAの構造も知らずにここまで推測できていたのか!」と驚くことでしょう.

で,この本を読んで頂いたとして…

詳しくは次号で述べていきたいと思うのですが,このシュレーディンガー教授,なかなかの口説き上手だったようで,女性に滅茶苦茶モテるんですよね.

アニーという女性と結婚していたのですが,なんと友人の奥さんヒルデを口説いてしまいます.それどころか!ヒルデはシュレーディンガーの娘ルースを出産します.

それどころじゃないんです!ヒルデはルースとともに,シュレーディンガーと一緒に暮らすのです.シュレーディンガーの奥さんアニーは?もちろん同居です.

アニーはこう言ったと伝えられています.

競走馬と一緒に住むよりもカナリアと住むほうが楽ですわね.でも私は競走馬と一緒のほうが好きよ.

いやシュレーディンガー教授は何馬力だったのでしょうか.

彼の伝説はこれだけではないのですが,それはまた次号で.

おすすめTEDトーク

TED
TED
科学は命の魔法を台無しにしてしまうのでしょうか?気難しいけれど魅力的な独白を通じて,ロビン・インスはそうではないと語ります.宇宙の驚くべき性質を知れば知るほど,私たちは畏怖の念に打たれてしまうのです.
TED

科学は魔法を消し去り,数学は情緒を否定するのでしょうか.ラジオパーソナリティのロビン・インスは何度もこのように聞かれたそうです.物理学者リチャード・ファインマンもまた,同じ質問をぶつけられたことがあるそうです.

このニュースレターをお読みの皆様なら,もう答えはおわかりですよね.

科学は月を「宇宙の小石」にしてしまいましたが,だからといって月の価値がわずかでも減ったわけではありません.ミュー粒子による透視はピラミッドの謎をいくらか解くでしょうが,だからといってピラミッドにかけられた魔法が失われるわけではありません.

そんなことでいくばくかの神秘が失われるのであれば,何のために詩人はこの世にいるのだと,ファインマン先生は言われました.

ロビンは,科学はむしろ美しさと喜びを加えるものだと言います.そして,これこそが,僕がこのニュースレターで皆様にお伝えしたいことでもあるのです.

ユーモアたっぷりのロビンのトークを,是非お聞きください.

Q&A

匿名質問サイト「マシュマロ」および実名質問サイト「Quora」で質問を受け付けています.普段はツイッターでお返事を書いていますが「ニュースレター読んでます」と入れていただければ,こちらのニュースレターでより長めの回答を書かせていただきます.

今週のピックアップはこちらにします.

日本のコロナ感染状況は「さざ波」レベルですか?
Quora

嘉悦大学教授,数量政策学者,総理大臣補佐官付参事官の高橋洋一氏がCOVID-19感染状況を示して「日本はこの程度の『さざ波』」とツイートしました.

高橋氏の示したグラフを見ると,インド,フランス,カナダ,ドイツ,イタリア,米国に比べて,日本の100万人あたり感染者数は下火のような印象を受けます.

しかし,感染数は指数関数的増加をすることが知られていますから,高橋氏が示した「リニアスケール」ではなく「対数スケール」でグラフを読む必要があります.高橋氏が引用したサイトはボタン一つで対数スケールに切り替える機能を持っており,それを使って再表示してみると次のような図になります.

高橋氏はこれで「笑笑」という感想を持つそうですが,「数量」政策学者として正しく数値を読み取っているようには見えません.

日本の状況は,僕はさざ波ではなく「津波」だと思います.ツイッター上でご本人に返信はしておきました.届いていると良いのですが.

こちらの匿名質問サイトで質問を受け付けています.質問をお待ちしております.

振り返り

このニュースレターでは「振り返り」動画を公開しています.今週は「お酒」の話題をお届けしました.

動画の音声だけを切り出してポッドキャストにもしています.

是非お楽しみください.

そしてそして!

このニュースレターの一部を音声化する試みをしています.お車で通勤される方や,声で聞いたほうが頭に入るという方に向けて,ポッドキャストでこのニュースレターの内容をお届けする実験です.アドレスは以前に振り返りポッドキャストをお届けしていたものと同じなので,すでに登録済みの方は再登録して頂く必要はありません.

聞いてみたいなあという方は,ぜひこちらかを御覧ください.アップルのポッドキャストアプリにも対応しています.「シーズン2」以降がニュースレターの音声化です.

あとがき

今週はニュースレターの音声化のほかに,もうひとつ大胆な試みも始めてみました.このニュースレターの「英語版」です.こちらは,時間のあるときにバックナンバーを少しずつ英訳していこうと思っているものです.第1弾はツタンカーメンのお話にしました.

ところで,このレターを書いている最中に,アメリカのトーマス・エジソンが日本の竹を取り寄せて電球を実用化したという話を思い出しました.1929年は日本の「電灯50年記念」だったそうなのですが,当時はどこの竹のことかわからず,ついに存命中だったエジソンに書面で問い合わせているのですね.その結果,京都の石清水八幡の竹ということが突き止められました.[参考文献4]

石清水八幡宮は現在は国宝になっています.もし訪れることがありましたなら,石清水八幡の竹がこの世界の夜の景色を永遠に変えたことに思いを馳せてみられてはどうでしょうか.

さて,来週こそは「モテ男」「変態」そして「天才科学者」のエルヴィン・シュレーディンガーについての物語をお届けしようと思います.

では,またお目にかかりましょう.

参考文献

***

ニュースレター「STEAM NEWS by Ichi」

発行者:いち(金谷一朗)

TEDxSaikaiファウンダー・パイナップルコンピュータ代表・長崎大学情報データ科学部教授

バックナンバーはこちらから👉 https://steam.theletter.jp

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