さんげつ 雑纂

　仮に100ワット電球とし、これに家庭用電圧の100ボルトをかけるとすると、1アンペアの電流が流れる。簡単のために、銅電線を1mm角の太さとする。銅導線の中の電子の密度は既知だから、1アンペアの電流が流れるには電子はどのくらいの速度で動けばよいか計算できる。結果は毎秒0.1mm になる。こんなに遅いのに、どうしてスイッチを入れるとすぐに電灯がつくのか。スイッチから電灯まで１ｍの距離としても、移動に10,000秒＝約3時間もかかることになる。

　これは物理のプロにとっても難問のようである。物理学者の川久保達之氏は『物理学はこんなことも分からない』の第7 話「電車の架線の中を流れる電子の速さ」で、概略以下のように書いている。

　中学生を相手にした講演会の席で，次のような質問を受けたことがあります。「電流が，マイナスの電荷をもった電子の逆方向への流れだという話をいま伺いました。もしそうだとすると，東京から猪苗代の発電所（当時，首都圏の電力は福島県の猪苗代発電所から送られていた）まで電子が行くのに，いったいどのくらいの時間がかかるものなのでしょうか」という質問です。いまから40 年以上も前の話です。そのときは，「電力は50Hz の交流として送られているので，電子は送電線の中を行ったり来たり往復するだけで，遠くへ行かないのです」と言って逃げてしまいました。赤面の至りです。

　仮に先ほどの計算結果を示せば、表題と同じ、いや、もっとシビアな質問「電子の移動がそんなに遅くて、電車は動くんですか？」を中学生に突きつけられて立ち往生する。

　このピンチから逃れるアイディアがトコロテンだ。スイッチ付近にいた電子が電灯のところまでいって点灯するのではなく、すぐ隣の電子を押し出す。その押し出した電子が更に隣の電子を押し出す。最終的に電灯付近にいた電子が電灯を灯すという仕掛けだ。

　さてトコロテンが動くはやさはどれくらいになるだろう。音の場合を思い出そう。太鼓を叩いて出る音を聞くとする。太鼓のそばの空気が移動してきて耳に届くわけではない。空気の中を音波が伝わって来て、耳のそばの空気が動いて音が聞こえる。この場合、伝わる速さは空気中の音波の速度で、常温では毎秒300mくらいになる。



　電線の場合、伝播する速度は電子気体中の音波の速度ということになる。銅の中の電子気体の状態は良く知られており、音波の速度を計算することができる。光速の約0.5%、秒速約1500kmと見積もられ、充分速い。スイッチから電灯まで1mとすると、100万分の1秒あれば到達する。これで表題の疑問は解決された……とはいかなかった。

　明星大学の宇佐見保氏は、実際の速度を精緻な実験で測定し、移動速度がほぼ光速度であることを発見した。電子気体中の音波の速度は光速度の1/200だから、トコロテン説は全くだめだったことになる。

　宇佐美氏はこれだけでなく広範囲な現象について詳細な実験を行い、得られた結果に基づき、新しい見方を導入すべきとの結論に到達した。それは「電磁気現象の主役は電磁波であり電荷と電流ではない」というものである。これは通常の「電磁気現象の主役は電荷と電流であり、電磁波はその時間変化により作られる」を転換するものである。「コロンブスの卵」ともいうべき新視点に立った電磁気学を宇佐美氏は「コロンブスの電磁気学」と名づけた。

　10年ほど前に、私は宇佐美氏から著書「コロンブスの電磁気学」の寄贈を受けた。その後も改訂・増補版を頂戴しその都度、意見を求められたが、仕事が忙しかったこともあり返事ができなかった。

　退職して時間ができてから、長年の責を果たすべく同氏の著作を読み出した。宇佐美氏の手を煩わして要約版を作ってもらい、昔読んだ電磁気学の本の埃をはたいて、2ヶ月あまりこの問題と格闘する事になった。

　電灯がつくということは、電磁気的なエネルギーが電灯に運ばれ、そこで消費されることを意味する。エネルギー運搬の担い手を電子と考える限り、トコロテン方式の破綻に見られるように、無理がある。したがって、宇佐美氏が主張するように、担い手は電磁波であると考えざるを得ない。

　ここから宇佐見氏は新しい電磁気学の体系が必要だとするのであるが、私は、従来の電磁気学で十分だと考えた。2ヶ月あまりの格闘は電磁気学の基礎方程式から宇佐美氏の実験結果が導けることを確かめる作業であった。

　道筋が一応ついたので、宇佐美氏の原稿を元に、僭越を承知で、ガリレオ・ガリレイの「新科学対話」を模した対談形式にしてまとめた。しかし、宇佐美氏との調整は、目下のところ、電線中の電子よろしくカタツムリの速度でしか進んでいない。