冷知識ブラインドボックス第4回
原子爆弾はどのようにして作られたのか？
質量とエネルギーの方程式から実験室まで。最初の原子爆弾はどうやって作られたのか。
概要
みなさんこんにちは、冷知識ブラインドボックスへようこそ。ユーザー配信者の喬羽藍です。深圳もだんだん秋めいて、涼しくなってきました。今回は、ずばり「熱い」知識、つまり最初の原子爆弾はどのようにして作られたのかをお話しします。何かを成し遂げるには、知と行の合一が鍵になります。まず原子爆弾の原理を理解し、次に実験室で検証し、最後に量産を達成する必要があるのです。
原子爆弾の理論的基礎と言えば、皆さんがまず思い浮かべるのは、舌を出したアインシュタインが黒板に E=mc² と書く姿でしょう。質量・エネルギー等価の式です。
Eはエネルギー、mは静止している物体の質量、cは光速を表します。たった1グラムの質量を入れると、2万1400トンのTNT火薬が爆発して生み出すような、恐ろしいエネルギーが得られます。この式はあまりにも美しく簡潔なので、少し説明を加えるだけで、大半の人はどうすれば莫大なエネルギーを得られるのかを察することができます。
しかし、この式だけで原子爆弾を発明するというのは、あまりにも荒唐無稽な話です。アインシュタインが質量・エネルギー等価の式を提唱したのは1905年ですが、それは特殊相対性理論の副産物にすぎませんでした。アインシュタイン自身でさえ、質量をエネルギーに変えることは理論上可能でも、20世紀の技術水準では現実にはほぼ不可能だと考えていたのです。
そのため当時は、真剣に質量をエネルギーに変える方法を探求する科学者はいませんでした。その結果、質量・エネルギーの式が提唱されてから後の28年間、この分野の探究はほぼ停滞していました。
そして1933年。ヨーロッパの人々一人ひとりの運命を変えることになる年に、運命の歯車が回り始めます。イギリスのタイムズ紙に、こんな記事が載りました。ケンブリッジ大学の科学者たちが、中性子という基本粒子を発見したというのです。中性子を砲弾のように原子核にぶつければ、原子核は分裂し、新たな中性子を放出する、というものでした。
一方、そのころドイツの新聞の見出しは、ナチス党が国会の過半数の議席を獲得し、ヒトラーがまもなくドイツ首相に就任する、というものでした。この二つを並べてみて、レオ・シラードというユダヤ系の科学者は、迷うことなくイギリスへの逃亡を選びました。さらに彼は、もう一人のユダヤ人にも一緒に逃げるよう熱心に説得しました。そのもう一人こそアインシュタインです。もちろん、シラードの功績はこれだけではありません。それはまた後でお話しします。
イギリスに着いたシラードは、ケンブリッジ大学の研究成果を丹念に調べ、突然あることに気づきました。これは本質的に正のフィードバックのシステムだと。さまざまな入力パラメータをうまく制御し、中性子を放出させるか吸収させるかを選べば、原子核の分裂が続くかどうかを決められる。これが連鎖反応の基本原理です。この時点で、原子爆弾の理論上の障壁はほぼ取り払われ、残された仕事は実験室で理論を検証することだけになりました。
1938年、ドイツはオーストリアを正式に併合し、ヒトラーはその野心をあらわにしました。この緊迫した時期に、ドイツの科学者ハーンは、核分裂生成物を片づけていたところ、生成物の質量が元の物質より少しだけ減っているように見えることに、思いがけず気づきました。測定誤差を排除したあとも、ハーンはこの現象を説明できる適切な理論を見つけられませんでした。なにしろアインシュタインはすでにドイツを離れており、戦争の影に覆われて、科学者どうしの正常なやり取りも途絶えていたのです。そこでハーンは、別の科学者リーゼ・マイトナーに手紙を書いて尋ねました。
マイトナー女史もまた大物でした。彼女は物理学賞に29回、化学賞に19回ノーベル賞候補に挙げられた人物です。彼女はハーンの手紙の結果を見て、大胆な仮説を提示しました。失われた質量はエネルギーに変わったのだ、と。それだけでなく、彼女は核分裂を起こした原子核一つあたり、およそ2億電子ボルトのエネルギーが放出されることを、すぐに計算してみせました。
マイトナー女史は計算結果をハーンに送り返し、さらに量子物理学の大家であるボーアにも、自らの成果を分かち合いました。
ええ、この一連の出来事を見ると、重要な発見や進展のほとんどがドイツの科学者によるもの、あるいはドイツの大学で教えていた外国人学者によるものだと気づくでしょう。もし歴史が別の方向へ曲がっていたら、どこか別のパラレルワールドでは、私たちが最初に学ぶべき外国語は英語ではなく、ドイツ語になっていたかもしれません。
ボーアはデンマークの科学者で、原子物理学の世界を代表する重要人物です。このあとも何度か登場します。1939年、ボーアはアメリカへ向けて出発し、ワシントンで学術講演を行いました。内容は、ハーンが発見した核分裂と、その最新の進展についてです。講演は午前中に行われ、聴衆は大いに驚きました。その日の午後には、多くの科学者がすぐに研究室へ駆け戻り、夜通し実験結果を再現しようとしました。その光景は、かつて超伝導現象を検証したときのように、大変な賑わいだったそうです。
すぐに、実験結果が出てきました。しかし、アメリカの物理学者たちは背筋が寒くなる思いをしました。ドイツ人が全面的にアメリカをリードしており、いつの日か世界を滅ぼしかねる原子爆弾を完成させてしまうかもしれなかったからです。この時点では、物理学者の小さな輪の中で危機感を持つだけでは足りません。政府を説得し、大量の資源を投入させ、ただちに追いつく必要があったのです。
1939年8月、先見の明があったシラードは、すでにアメリカにいたアインシュタインを探し出し、自分の懸念を説明しました。アインシュタインの影響力を借り、彼から大統領に手紙を書いてもらい、事態の深刻さを伝えてもらおうと考えたのです。その場にはほかにもう二人のユダヤ系科学者、ユージン・ウィグナーとエドワード・テラーがいました。ちなみに、テラーにはもう一つの名前があります。「水爆の父」です。
この四人のユダヤ系科学者は、ルーズベルトに送る手紙について話し合い、原子爆弾が一つの都市全体を破壊しうる恐ろしい威力を持つことを明確に記しました。アメリカは大きく出遅れており、直ちに追いつかなければならない、と。手紙は書き上がりました。さあ、早くこれを大統領に届けましょう。アインシュタインの名声があれば、大統領もきっと目を通してくれるはずでしょう？
それは少々甘い考えでした。ある日、非常に尊敬される物理学者が、専門用語だらけの手紙をあなたに手渡したとしましょう。半分推測で、その結論が「単三電池一本で、あなたのNIOの車が何日も走り続けられる」ということだとわかったとします。あなたの反応はどうでしょうか。心のどこかで、疑問を感じるのではないでしょうか。
しかも当時、ドイツがポーランドを攻略するまで、わずか29日しか残っていませんでした。アメリカはなお孤立主義の方針をとっていたのです。日々膨大な仕事に追われる大統領に、その場で人類の運命を変える決定をさせることなど、どうして可能でしょうか。
さらに気まずいことに、四人の誰一人としてルーズベルト大統領と面識がなく、政府の役人とほとんど関わったこともありませんでした。もし彼らが手紙に切手を貼ってホワイトハウスに送ったとしたら、最も可能性が高い結果は、ホワイトハウスから届く感謝状一枚で、何も変わらなかったでしょう。
結局、頼りになるのはシラードでした。彼には、サックスという古い友人がいました。華やかなウォール街の名士の世界に出入りしていた人物で、当時はルーズベルトのそばで経済顧問を務めていました。シラードがほんの少し説明すると、サックスは事の重大さを理解し、ナチスを阻止するのなど朝飯前だと胸を叩いてみせました。
この地味な手紙の配達という任務を、甘く見てはいけません。サックスの機転と博識がなければ、たとえ手紙が本当にルーズベルトに見せられたとしても、大した効果はなかったでしょう。その難しさを表す息の詰まるような場面を一つ挙げれば、あなたが上司に報告し、あなたが描いた「大きなパイ」のために、大量の資源を傾けてくれるよう説得しなければならないとしたら、どうしますか？
この手紙の正式な名前は「アインシュタイン＝シラード書簡」です。機会があれば、皆さんもご自分で検索してみてください。どれほど容易ではなかったか、きっと理解していただけるはずです。
サックスはヒトラーがポーランドへ正式に侵攻するまで待ち、機が熟したところでルーズベルトに手紙を手渡しました。最初ルーズベルトは、物理学の専門用語だらけの手紙を読むことを非常に嫌がりました。大統領がどんどん焦れてくると、サックスはゆっくりと一つの歴史物語を語りました。1803年、アメリカ人のロバート・フルトンが世界初の蒸気船を発明しました。そこで彼はフランス皇帝ナポレオンのもとを訪れ、この蒸気船はイギリス海軍を打ち負かすのに使えると説き、投資して開発してほしいと頼んだのです。ところがナポレオンは、この蒸気船の欠点を遠慮なく指摘し、技術が未熟すぎてイギリス海峡を渡ることなど絶対にできないと断言しました。その結果、フランスの海軍建設はイギリスに大きく後れを取ったのです。
サックスは話題を転じます。原子爆弾は、私たちの時代の蒸気船であり、画期的な新発明です。大統領、どうか第二のナポレオンにはならないでください！ ルーズベルトはこれに大きな衝撃を受け、政府がただちに行動を起こすことをすぐに同意しました。ほら、冷知識ブラインドボックスを聴くのも本当に役に立つでしょう。ひとつの物語が、夢の中の人を目覚めさせることだってあるのです！
では、アメリカはすぐに一直線に爆弾作りへと突き進んだのでしょうか。ルーズベルトが次に行ったのは、原子爆弾の研究を専門に担当する諮問委員会を設立することに同意しただけでした。実際に作り始めるまでには、まだ十万八千里もの道のりがありました。しかも当時は、天の時、地の利、人の和のすべてがアメリカにとって不利だったのです。
次回の冷知識ブラインドボックスでは、重要人物オッペンハイマーの登場と、彼がどのように科学者チームを効率的に組織し、管理したのかを紹介します。世界から隔絶された砂漠の中で、大きくリードしていたドイツに三年のうちに追いつき、ついに原子爆弾を完成させた。人類の科学と工学の歴史における奇跡を、お話しします。
