第7章　最初の数分間

第70夜：水の機械

七十日目は、保守作業の日でした。地上が毎朝送ってくる予定表には、ヌールのおもな仕事が、そっけない名前で書かれていました。水再生装置のフィルター交換。宇宙ステーションでは、水はむだにするにはあまりにも貴重です。地球から打ち上げて運ぶには重いので、ステーションでは集められるかぎりほとんど一滴残らず水を集め、何度もくり返しきれいにして使います。乗組員が吐く息にふくまれる水蒸気や、肌から出る汗は、空気から取りこまれます。洗いものに使った水も集められます。尿でさえ集められ、きれいにされて、ふたたび飲み水に変えられるのです。

ヌールは地上で、この装置の複製を使って、この仕事の訓練を何度も受けていました。ステーションでは、この仕事に午前中のほとんどがかかりました。決められた順番でバルブを閉め、圧力の表示を確かめ、パネルを開けて、古いフィルターをすべらせて取り出します。外れた部品はすべてひもで固定するか、袋に入れておきます。アデが点検リストを持ってそばに浮かび、彼女が作業をする前に一つひとつの手順を声に出して読み、ヌールはその手順を彼に復唱しました。地上なら、これはのんびりしたやり方に見えるかもしれません。軌道の上では、これがまちがいを防ぐやり方なのです。

新しいフィルターがおさまると、装置はテストを行いました。小さなランプの列が、一つ、また一つと緑色に変わっていきました。地上のチームも、自分たちの画面で同じ表示を見て、すべてがふつうに見えることを確かめました。ヌールは記録簿に時刻を書きこみ、古いフィルターを袋に入れました。それはあとで貨物船に積まれて、運び出されることになっています。

昼食のとき、ヌールはステーションの給水口から飲みもの用のパックに水を入れ、明かりにかざしてみました。水は完全にすき通っていました。何の味もしませんでした。それこそが、よい水の味というものです。トマスは自分のパックをかかげて、だれかが水の機械を修理するたびにいつも言うことを言いました。きのうのコーヒーが、今日のコーヒーになったね、と。アデは、それは食事中に考えたい文ではないね、と言いました。

その夜、サミは、一晩じゅうスーパーマーケットでペットボトルの水の箱を降ろしていたと書いてきました。そして、同じ水を二回飲めとだれにも言われなくてよかった、と。ヌールは、ある意味では、地球の上のだれもが、これまでに使われたことのある水を飲んでいるのだと教えました。雲や川や植物や動物によって、何十億年ものあいだ使われてきた水です。それから彼女は、さらにさかのぼって、水そのものがどこから来たのかを考えました。水の分子は、水素の原子二つと酸素の原子一つでできています。酸素には酸素の物語があり、それはのちの夜に聞くことになります。けれども、水の一滴一滴にふくまれる水素は、それよりずっと古いのです。それは、宇宙の最初の数分間から来ているのです。

いちばん小さな部品

前の夜に、私たちは宇宙がおよそ38万歳のときに解き放たれた、いちばん古い光に出会いました。今夜は、それよりはるかにさかのぼって、宇宙がまだ生まれて数分しかたっていなかったころへ行きます。そのとき何が起きたのかを理解するには、原子が何でできているのかを少し知っておく必要があります。ことばは新しいかもしれませんが、考え方は単純です。機械を修理する前に、その部品を覚えるようなものです。

どの原子にも、原子核と呼ばれる小さな中心があります。原子核のまわりには、電子と呼ばれる、さらに小さな粒子があります。原子核そのものは、二種類の粒子でできています。陽子は、プラスの電気を帯びています。中性子は、電気をまったく帯びていません。中性子という名前は、そこから来ています。陽子と中性子はほとんど同じ重さで、どちらも電子よりはるかに重いのです。

原子核がどれほど小さいかを思い描くのはむずかしいことです。先生たちがよく使うたとえに、こんなものがあります。もし原子全体を大きな競技場ほどの大きさにしたとすると、その原子核は、グラウンドの真ん中にある小さなえんどう豆一粒くらいの大きさになります。電子は、遠くの観客席のどこかにいることになります。原子の重さのほとんどすべては、その中心にある小さな豆の中にあるのです。

原子核の中の陽子の数によって、それがどんな種類の原子なのかが決まります。陽子が一つの原子は水素です。陽子が二つの原子はヘリウムです。陽子が六つの原子は炭素で、陽子が八つの原子は酸素です。こうした基本的な種類の原子の一つひとつを、元素と呼びます。中性子は重さを加え、原子核をまとめるのを助けますが、それがどの元素なのかを変えることはありません。

いちばん単純な原子核は、陽子一つだけでできたものです。それが、ふつうの水素の原子核です。ヘリウムの原子核は、もっと複雑です。二つの陽子と二つの中性子が、ぎゅっと固まってできています。ヘリウムの原子核をつくるには、陽子と中性子をおたがいにとても近づけなければなりません。原子核の中ではたらくとても強い力が、それらをつかまえられるほど近くにです。ふつうの条件では、こうしたことはほとんど起こりません。陽子は、その電気によっておたがいを押しのけあうからです。それらを無理やりくっつけるには、とてつもない熱と圧力が必要なのです。

宇宙の最初の瞬間には、まだ原子も原子核もありませんでした。あったのは、自由に動きまわる陽子と中性子と電子、光、そしてほかの小さな粒子が、とても速く動きまわる熱いまざりものだけでした。何かがくっつくには、あまりにも熱すぎたのです。陽子と中性子が結びつくたびに、熱がほとんどすぐにそれらを引き離してしまいました。宇宙は、まぜたとたんに何もかもが焦げてしまうので、どんな生地もけっしてふくらむことのない、熱すぎる台所のようなものでした。

組み立てのための短い時間

宇宙は膨張するにつれて、冷えていきました。数分たつと、陽子と中性子がようやくまとまっていられる温度になりました。その温度は、今日の太陽の中心よりもまだはるかに熱いものでしたが、もう熱すぎるということはありませんでした。短いあいだ、宇宙全体が、軽い原子核を組み立てられる場所になったのです。陽子と中性子が二つずつ結びつき、その組がヘリウムの原子核にまとまり、少しだけ重い元素であるリチウムも、ごくわずかにつくられました。

この時間は、長くは続きませんでした。宇宙は膨張し、冷えつづけました。はじめの二十分ほどのうちに、温度と密度は大きく下がり、組み立ては止まってしまいました。粒子はもう、あまりにも散らばっていて、あまりにもゆっくり動いていたので、十分な力でぶつかりあうことができなくなったのです。それまでにつくられたものが、宇宙が使える材料のすべてでした。そのあと何百万年もの長いあいだ、最初の星が輝きはじめるまで、新しい元素はまったくつくられませんでした。

生まれて数分しかたっていない宇宙の温度が、どうしてわかるのかと思われるかもしれません。その筋道は、聞こえるほどむずかしくはありません。天文学者は、今日の宇宙がどれくらいの速さで膨張しているのか、そして今日のいちばん古い光がどれくらいの温度なのかを知っています。宇宙がもっと小さかったころには、同じ光がもっとせまい空間に押しこめられていたので、もっと熱かったのです。それは、単純でよく理解されている決まりにしたがっています。こうした決まりを使ってフィルムを逆回しすれば、物理学者たちは、最初の数分間までずっとさかのぼって、それぞれの瞬間に宇宙がどれくらい熱かったのかを割り出すことができるのです。

時間が短かったのには、もう一つ理由がありました。原子核の外にある、ひとりきりの中性子は、長くはもちません。平均するとおよそ十五分ほどで、自由な中性子は陽子に変わってしまうのです。ですから、中性子はずっと少しずつ消えていきました。生き残ることのできた中性子は、ヘリウムの原子核の中に組みこまれたものだけでした。これは、イーストの力が少しずつ弱まっていくパン屋にたとえることができます。パン職人は、それをすぐに使わなければなりません。さもないと、なくなってしまうのです。

組み立てが止まったとき、中性子は陽子よりはるかに少なくなっていました。おおまかに言うと、陽子七つにつき中性子が一つでした。その数が結果を決めます。十六個の粒子を思い浮かべてください。中性子が二つと陽子が十四です。二つの中性子が二つの陽子と結びついて、ヘリウムの原子核が一つできます。全部で四つの粒子です。残りの十二の陽子はひとりのまま、十二個の水素の原子核になります。ですから、重さで言えば、十六のうち四がヘリウムで、つまり四分の一です。残りの四分の三が水素です。

これが、最初の数分間についての予言です。質量で言えば、およそ四分の三が水素で、およそ四分の一がヘリウム、そして、重い種類の水素とリチウムがほんのわずかにふくまれます。それから何十万年もあとに、宇宙がさらに冷えて、電子がこうした原子核のまわりに落ち着くと、最初の原子ができました。それらが、あの輝く霧の原子でした。晴れて、いちばん古い光を解き放った、あの霧です。

出会った二つの物語

ここには、二つの物語のすてきな出会いがあります。一つめは、予言の物語です。1948年、前の夜に出会ったジョージ・ガモフ、ラルフ・アルファー、ロバート・ハーマンは、熱くて密度の高い若い宇宙が、最初の数分間に軽い原子核をどのようにして組み立てることができたのかを導き出しました。その後の何年かのあいだに、ほかの物理学者たちが、陽子や中性子のふるまいについてのよりよい測定を使って、その計算を改良しました。細かな部分を正しく仕上げるには長い年月がかかりましたが、中心となる結果は変わりませんでした。若い宇宙は、おもに水素と、四分の一ほどのヘリウムをつくったはずだ、というものです。

二つめの物語は、それよりもさらに前、セシリア・ペインという若い女性から始まりました。1920年代、彼女はある天文台で働く学生で、星の光を研究していました。遠ざかる銀河の夜に、光をスペクトル、つまり暗い線の入った色の帯に広げられることを見ました。元素はそれぞれ、自分だけの線の並び方を残します。長いあいだ、天文学者たちは、太陽のスペクトルに鉄やほかの多くの元素の線が見えるのだから、太陽はだいたい地球と同じものでできているにちがいない、と考えていました。

ペインは、物理学の新しい考えを使って、星の温度が線の並び方をどのように変えるのかを理解しようとしました。それを計算に入れたとき、彼女は驚くべき結論にたどり着きました。星はおもに水素とヘリウムでできている、というのです。重い元素もふくまれてはいますが、ほんのわずかな量だけです。彼女はこの仕事を1925年に仕上げました。当時、その考えはあまりにもありそうにないものに思えたので、尊敬されていた年上の天文学者が、その結果はおそらく本物ではないと書くよう、彼女を説きふせました。数年後、その同じ年上の天文学者をふくむほかの天文学者たちが、別の道すじから同じ結論に達しました。ペインは正しかったのです。

ペインの立場について、少し考えてみる価値があります。彼女は若く、そうした仕事をすることを許された女性がほとんどいない分野にいる女性で、しかも、その結果はほとんどすべての人が信じていたことに反していました。彼女の立場にいたら、多くの人はその考えを捨ててしまったでしょう。彼女は、その仕事を捨てませんでした。注意深く仕事を進め、それを発表し、ほかの人が確かめられるように証拠を示したのです。彼女の結果は、今では天文学の土台の一つになっています。

二つの物語を合わせると、驚くべきことが見えてきます。物理学者たちは、最初の数分間が何をつくったはずなのかを問いました。天文学者たちは、星やガスの雲が実際に何でできているのかを測りました。どちらの答えも、同じことを指していたのです。おもに水素でできていて、四分の一ほどのヘリウムをふくむ宇宙です。のちの星によって変えられる時間がいちばん少なかった、もっとも古いガスの雲やもっとも古い星を天文学者が測ると、その量は予言とよく合っています。

もっとも強い手がかりの一つ

最初の夜に、この本は、宇宙に熱くて密度の高いはじまりがあったことを示す三つの大きな手がかりを挙げました。一つめは、銀河がたがいに遠ざかっていることでした。二つめは、いちばん古い光でした。三つめが今夜の物語、もっとも軽い元素の量です。この三つめの手がかりがとくに強いのは、それが数字によるテストだからです。「かつては熱かった」と言うだけの理論なら、たくさんの結果に合わせることができるでしょう。「ヘリウムはおよそ四分の一で、半分でも十分の一でもない」と言う理論は、確かめることができますし、まちがっていたことがわかる可能性もありました。

けれども、まちがってはいませんでした。天文学者がどこを見ても、古い星の中でも、銀河のあいだのガスの中でも、ヘリウムはほぼ正しい量だけそこにあります。重い水素のわずかな量も、予言と合っています。そして、こうした軽い元素から得られる数字は、まったく別に、いちばん古い光の中の模様から得られる数字とも一致しています。まったくちがう装置で行われた、まったくちがう種類の二つの測定が、若い宇宙について同じ物語を語っているのです。

地球の上でできるテストもあります。軽い原子核の組み立ては、ある温度で陽子と中性子がどれくらいかんたんに結びつくかによって決まります。その割合は、当て推量で決められているのではありません。実験室で測られているのです。そこでは、機械が陽子やほかの粒子をおたがいにぶつけ、何が出てくるかを数えています。最初の数分間の計算には、そうして測られた数字が使われています。この意味で、地球の上の小さな実験室と、若い宇宙全体とが、同じ決まりにしたがっているのです。

正直に触れておくべき謎が一つあります。とても古い星のいくつかに天文学者が見つけるリチウムの量は、最初の数分間についての計算が予言するよりも少ないのです。科学者たちは、その理由を今も調べています。もしかすると、そうした古い星の内部の何かが、リチウムの一部を少しずつこわしてきたのかもしれません。あるいは、計算の中の何かを改良する必要があるのかもしれません。この謎は、まだすっかり理解されてはいません。けれども、それは大きな一致の中にある小さな謎であり、最初の数分間についての中心となる描き方を変えるものではありません。

最初の数分間がつくらなかったものを知っておくことも大切です。リチウムより重いものは、ほとんど何もつくられませんでした。炭素も、酸素も、鉄も、金もありませんでした。最初の数分間から生まれた宇宙は、とても単純なものでした。水素とヘリウムと、その近い親せきが少し。それだけです。ほかのすべての元素は、今あなたが吸っている酸素も、すべての生きものの中にある炭素もふくめて、あとになってつくられなければなりませんでした。その仕事をしたのは星で、その物語はのちの夜のものです。

ですから、一杯の水を手に持つとき、あなたはまったくちがう二つの歴史を手にしていることになります。その中の酸素は、はじまりからずっとあとに、星の内部でつくられました。けれども水素、つまり水素原子二つと酸素原子一つの「二つ」のほうは、およそ138億年前、最初の数分間につくられたのです。その水素は、雲の中にも、星の中にも、彗星の中にも、海の中にも、雨の中にもありました。そして今は、あなたのコップの中にあるのです。

眠る前に

眠る前に、ヌールはきれいな水の給水口からもう一つパックに水を入れ、窓のそばでゆっくりと飲みました。下の地球は昼でした。白い雲が散らばった海の青と、海岸線のふちが見えました。あれだけの水があって、そのどの一滴にも、何十億年も待ちつづけてきた同じ古い水素があるのだ、と彼女は思いました。

彼女はサミにこう書きました。「今夜降ろした水は、とても古いんだよ。その中の水素は、宇宙の最初の二十分のあいだにつくられたの。箱は、思っていたより重かったんだね」。サミは、それなら腰がもう教えてくれたよ、ありがとう、と返事をくれました。それから、次のペットボトルは少しちがって見えるだろうな、と書きそえていました。

彼女がメッセージを書いているのを見ていたアデが、今夜は弟さんに何を話しているのかとたずねました。説明すると、アデはしばらく黙っていて、それから、水の機械の取扱説明書は一ページ残らず読んだけれど、その水が古いなんて一度も考えたことがなかった、と言いました。トマスは、それが専門家の困ったところだね、と言いました。あることをよく知りすぎていて、それに驚くのを忘れてしまうんだよ、と。

明日、あるいは今夜、一日の仕事を終えて、あなたもコップに水をくむかもしれません。毎回、宇宙のことを考える必要はありません。けれども一度くらいは、飲む前に、少しのあいだコップを手に持ってみてもよいかもしれません。手の中にあるのは、ほとんど時のはじまりにつくられたもので、とても長い道のりを旅して、あなたのもとに届いたものなのです。

よくある誤解

すべての元素はビッグバンのときにつくられた、と思っている人はたくさんいます。ビッグバンはすべてのもののはじまりなのですから、それは自然なことのように思えます。けれども、最初の数分間がつくったのは、もっとも軽い元素だけでした。水素とヘリウム、そしてごくわずかなリチウムです。炭素や酸素や鉄や金のような重い元素は、ずっとあとになって、星の内部や、ある種の星が一生を終えるときの激しいできごとの中でつくられました。宇宙は単純なところから始まり、時とともに豊かになっていったのです。

また、ヘリウムはめずらしい元素だと思っている人もたくさんいます。地球の上では、たいていの人はヘリウムをパーティー用の風船でしか知りませんし、ときには足りなくなることもあるからです。けれども実際には、ヘリウムは宇宙で、水素に次いで二番めに多い元素です。地球の上でめずらしいのには、別の理由があります。ヘリウムはとても軽く、ほかの元素と結びつかないので、空気の中のヘリウムは少しずつ宇宙へ逃げていってしまうのです。人々が地球で集めているヘリウムのほとんどは、地下深くから来ています。そこでは、岩石の中のある種の原子がこわれていくことで、ヘリウムがゆっくりとつくられているのです。宇宙に出れば、ヘリウムはどこにでもあります。

最後に、最初の数分間はまったくの当て推量だ、と想像している人もたくさんいます。だれもそれを見ていなかったのですから。たしかにだれも見ていませんでしたし、次の夜に見ていくように、いちばん最初の瞬間についての問いのいくつかは、まだ答えが出ていません。けれども、物語のこの部分は、もっともよく確かめられている部分の一つなのです。地球の実験室で注意深く測られているのと同じ物理を使い、数字ではっきりとした予言をしていて、その予言は天文学者が空で測るものと一致しています。次の夜には、さらにさかのぼって、陽子や中性子さえまだなかった時代へと向かいます。そこでは、私たちの足もとの地面は、ずっとたよりないものになっていきます。