＜ニュートンの運動＞

　ニュートンの運動３法則というものがある。

[第1法則]力を受けない物体は等速直線運動をする。

[第2法則]作用と反作用は大きさが等しく、方向が反対である。

[第3法則]運動量の時間変化は力によって及ぼされる。

この3番目の法則がもっとも重要で、これがニュートンの運動方程式と呼ばれるものである。

　３において、運動量とは質量と速度を掛け合わせたものである。質量が変化しないときには、単位時間あたりの

速度の変化量が加速度になることに注意すると、

　質量×加速度＝力

という見慣れた方程式を得る。これが普通の意味でのニュートンの運動方程式である。いま、物体に力が働かない

なら、加速度はゼロとなって、物体は等速直線運動をする。つまり法則１が導かれる。法則２も、力を及ぼし合う２つ

の物体に法則３を適用すると導ける。

　ところで、このニュートンの運動方程式が成立するのは「慣性系」においてである。慣性系とは、「力を及ぼさない

物体が等速直線運動する系」である。どうどうめぐりの定義だが、物理ではこんなことも許される。

　慣性系の１つの例は、無重力状態にあるスペースシャトルの内部である。この例は、本当は局所慣性系と呼ばれる

もので、以後の議論には適切ではない。そこで慣性系のもっとよい例として、星から遠く離れた宇宙空間を想像してみ

よう。そこは１つの慣性系である。また、その慣性系に対して等速直線運動している座標系も、１つの慣性系である。

ニュートンの運動方程式はこの慣性系でも成立する。このことを「ガリレイの相対性原理」と呼ぶ。また慣性系から別の

慣性系への変換を「ガリレイ変換」と呼ぶ。

＜相対性原理の成立＞

　マクスウェルの方程式に先のガリレイ変換を施すと、式の形が変わってしまう。つまり、マクスウェルの方程式ではガリ

レイ的な相対性原理は成立しない。それではいったい、マクスウェルの方程式が成立するのはどのような座標系なのか。

　全宇宙に対する絶対静止系のようなものがあれば、それが第1の候補になる。天動説の時代ではないのだから、まさか

われわれがその静止系に対して静止しているということはないであろう。したがって、われわれの座標系では、もともとの

きれいなマクスウェルの方程式からのずれが存在するはずである。光速が方向や季節で違うとすれば、その違いは19世

紀の技術をもってしても十分、測定可能な量なのであった。

　そこでこれを測定しようとした試みが、有名なマイケルソンとモーリーの実験である。この実験の結果、光の速度は方向

にも季節にも影響されず、つねに一定の値をとることがわかった。

　だが先に述べたように、マクスウェルの方程式にガリレイ変換を施すと、式の形が変わる。そこでマクスウェルの式の形

が変わらないような変換の方法をヘンドリク・ローレンツが導いた（ローレンツ変換）。これが慣性系の間の正しい座標変換

であった。ちなみに、ローレンツ変換の式で、速度が光速度に比べて十分に小さいとすると、ガリレイ変換が導かれる。

　ことはこれだけではすまず、ニュートンの方程式にローレンツ変換を施すと、式の形が変わってしまう。ニュートンの方程

式をとるべきか、マクスウェルの方程式をとるべきか、あるいは、ガリレイ変換か、ローレンツ変換か。相対性原理はとても

魅力的なので、電磁現象のみならず、力学現象にも成り立って欲しい。そこでニュートンの方程式を少し書き直して、ロー

レンツ変換に対して不変なように改めよう―――このような考えに基づいて導かれたのが、相対論的な力学なのである。

この結果導かれた結論として、有名な「質量とエネルギーの等価性」がある。

　このようにしてアルバート・アインシュタインは、1905年に特殊相対性理論を提案した。この理論は、量子力学と並んで、

20世紀でもっとも重要な物理学理論となったのである。

＜広がる地平＞

　20世紀の物理理論でもっとも革命的なものは「量子論」と「相対性理論」である、ということに異論のある物理学者はいない

であろう。量子論はプランクによって創始されたけれども、ボーア、シュレーディンガー、ハイゼンベルグ、ディラック、パウ

リなどといった多数の天才たちに引きつがれ、いわば多数の共同作品であるといえる。

　それに対して相対性理論の基礎は、ほとんどがアインシュタインひとりによって築かれたという点で、大きく性格が異なって

いる。相対性理論は「特殊相対性理論」と「一般相対性理論」に分けることができるが、そのどちらもがアインシュタインのつく

り出したものなのである。

　量子論も相対論も、それ以前の物理学を支配していたガリレイやニュートンの力学とは矛盾する。矛盾という言葉は厳密に

はよくないかもしれない。量子論も相対論も、ある極限の性質としてニュートン力学を含むからである。具体的には、プランク

定数をゼロとしてよい極限で量子論はニュートン力学になるし、光速度を無限大とみなせるような極限、あるいは光速度に比

べて遅い速度の極限では、特殊相対性理論はニュートン力学になる。このように、より新しい進んだ理論が、旧来の理論をひ

とつの極限として含むという考えは、それ以後何らかの新理論を構築する上での参考になっている。

　量子論も相対論も一般にはわかりにくい理論である。それがわれわれの日常経験的な常識と、一見矛盾するように見える

からである。とくに量子論はそうである。アインシュタインは相対性理論に対する寄与に対してではなく、「光量子仮説」とい

う量子論に対する貢献によってノーベル賞を与えられた。そのアインシュタインですら、「神はさいころを振らない」として、

量子力学の「コペンハーゲン解釈」には終生反対したといわれている。

＜相対性理論とは＞

●特殊相対性理論（慣性系の物理法則）

[すべての慣性系で物理の諸法則は同じである（相対性原理）]

[真空中の光速はすべての慣性系で一定である]

☆時間と空間は観測者によって異なる。

→光速に近いスピードで進む物体の時間は遅れる。

→光速に近いスピードで進む物体の質量は大きくなる。

→光速に近いスピードで進む物体は運動方向に縮む。

☆質量とエネルギーは等価である。

●一般相対性理論（加速度系と重力系の物理法則）

[慣性質量と重力実量は等価である（等価原理）]

[すべての座標系で物理学の諸法則は同じである（一般相対性原理）]

☆質量をもつ物体は周囲に曲がった空間をつくりだす。

→光は重力場を通過するときに曲がる。

→ブラックホールの理論

→有限の宇宙像

☆重力場の中では光は赤方偏移を起こす（重力場の中では時間が遅れる）

☆質量をもつ物体が加速度運動をすると重力波を放出する。

☆統一場理論

＜検証実験＞

�@質量とエネルギー

　1932年、アメリカのジェームズ・チャドウィックなどの研究によって、すべての元素の原子核は陽子と中性子でできて

いることが明らかになった。ところが、実際の原子核の質量は、核を構成する陽子と中性子の数から単純に計算した値

よりもわずかに軽い。これは相対論の予言するように、陽子と中性子が結合して原子核になるときに、質量の一部が失

われて結合エネルギーに変わったためと考えられた。

　1938年、ウランの核分裂が発見されると、この推論が確かめられた。ウラン原子は核分裂するときには大量のエネル

ギーを放出した。そして、分裂後の原子核の合計質量は、分裂前よりも軽くなっていたのである。

�A曲がった空間

　遠方の星を観測する場合、その星と観測者との間に重い天体があると、星からの光はその天体の重力によって曲げら

れる。このとき手前にある重い天体は光を集めるレンズの役割を果たすことになる。その結果、観測者には星からの光

が２つに分かれたり、ひとつながりのリング状になって見える。これを「重力レンズ効果」という。

　1979年、おおぐま座の２つのクェーサー0957＋561が、実は重力レンズ効果によって１つのクェーサーが２つの像に

なったものだとわかった。その後、３つ子、４つ子、リング状構造、アーチ構造など、重力レンズ効果が生み出すさまざま

な天体像が発見されている。

�B時間の遅れ

　1971年、アメリカのＪ．ハートフィールドとＲ．キーティングは、4台の原子時計をもってジェット機に乗り、地球をまず東

回りで、次いで西回りでそれぞれ1周した。このとき東回りの時計は地上に置いてあった時計に比べ59ナノ秒遅れ、西回

りの時計は273ナノ秒進んでいた。

　これは重力場の中で時間が遅れる現象（相対論的効果）を確かめるための実験であった。ジェット機は、地上よりも地球

の重力が小さいところを飛行するため、ジェット機の時間は地上に比べてわずかに進むだろう。一方、特殊相対性理論に

より高速で進む物体の時間は遅れるから、その効果も考え合わせなければならない。結局、相対性理論では、東回りの時

計が40ナノ秒遅れ、西回りの時計は275ナノ秒進むと計算された。ジェット機の実験結果は、相対論の予測とほぼ一致して

いたのである。

�C重力波

　1974年、アメリカのＪ．Ｈ．テイラーらは、ほかの天体と連星をなしているパルサーを発見した。数年にわたる観測の後、

彼らはこの連星の公転周期がわずかずつだが短くなっていることに気づいた。これは、連星の回転エネルギーが重力波

となって外にもち出され、連星の軌道が少しずつ内側に入り込んでいるためと考えられた。間接的ではあるが、この結果

は重力波の存在をはじめて証拠づけるものとなった。

＜核融合を起こすには＞

　核融合とは、軽い原子核同士がくっついて、より重い原子核になる反応である。核分裂と同じように、このとき大きな

エネルギーが放出される。

　核融合にがいろいろな反応がある。最も起こしやすいのが重水素（Ｄ）と三重水素（Ｔ、トリチウムと呼ばれる）の間の

ＤＴ反応で、第一世代の核融合としてはこれが考えられている。これにつづいて、重水素同士のＤＤ反応や重水素と

ヘリウム同位体（中性子が一個少ないヘリウム３）との間のＤ3He反応がある。

　核融合は原子核と原子核がくっつく反応である。原子核にはプラスの電荷があるから、原子核どうしが近づくと大きな

クーロン反発力が働く。このため核融合はなかなか起こらない。核分裂の場合には片方が中性子で電荷をもっていない

ので、クーロン反発力はない。核融合を有効に起こすには、ＤやＴを高温のプラズマ状態にして、ある領域に閉じ込め

るのである。

　物質は、温度を上げていくと、固体から液体、そして気体に変わる。気体の温度をさらにどんどん上げていくと、分子が

こわれて原子になり、ついには原子が原子核と電子に分かれてばらばらになってしまう。これがプラズマと呼ばれるもので

ある。プラズマを超高温にしてある領域に閉じ込めると、原子核はその中でものすごい速さで動き回るようになるので、ぶ

つかる度合いや激しさが大きくなり、核融合を起こす確率を大きくすることができる。

　どのくらいの高温が必要かというと、最も温度が低くてもよい第一世代のＤＴ反応でも少なくとも1億度にしなけらばなら

ない。

　このような超高温のプラズマを閉じ込めるには、普通の入れ物は使えない。入れ物が溶けてしまったり、プラズマが冷え

てしまったりするからである。プラズマを閉じ込めるには電磁気力を用いる。原子核や電子が磁力線に巻き付いて運動す

る性質を利用して、磁力線でできた入れ物に入れるのである。これを磁気容器という。

＜プラズマの閉じ込め＞

　どのような磁場でプラズマを閉じ込めるかには、いろいろな方法が提案されてきた。このうち、最も核融合の実証に近く、

世界中で最も精力的な研究が傾けられているのは、トカマクという装置である。これは、ドーナツ状の磁力線で、ドーナツ

の形のようにプラズマを閉じ込めるもので、プラズマに電流を流すのが特徴である。プラズマ電流がプラズマ閉じ込めのた

めのミソになっている。

　トカマクによるプラズマ閉じ込めの研究は、1955年頃ソ連で始められた。その後、その優れた性能から、核融合研究の

主力として世界に広まった。小規模な実験装置によってプラズマの特性が明らかにされるとともに、次第に、大型の装置

を使った大規模な実験が進められている。

　現在、世界には三大トカマクと呼ばれる大型の装置がある。日本のＪＴ-６０、米国のＴＦＴＲ、欧州連合のＪＥＴである。

これらは、装置としてはほぼ同じ大きさだが、プラズマ加熱の方法やプラズマの断面形状にそれぞれ特徴をもっている。

　三大トカマクの目標は、臨界プラズマ条件を達成することである。臨界プラズマ条件とは、核融合により発生するエネル

ギーとプラズマからのエネルギー損失がつりあって高温プラズマが維持できる条件である。これが核融合がエネルギー源

となりうることの科学的な実証となる。

　重水素のかわりに水素を用いた模擬的な実験だが、それぞれに、ほとんど臨界プラズマ条件の目標領域だというところ

に到達している。プラズマ閉じ込め時間でいえば、1秒を上回るところまできている。プラズマ閉じ込めに関しては、三つの

装置のなかで、ＪＥＴが一歩抜きんでているといったところである。

　これに続く目標は、外からエネルギーを加えることなく、核融合エネルギーのみで、自分自身のプラズマを保持できるよ

うな条件になる。これは自己点火条件と呼ばれるものである。このためには、プラズマの閉じ込め性能をさらに上げていか

なければならない。プラズマ閉じ込めの時間を2倍にして、温度も2億度以上にする必要がある。

　さらに実用化していくには、ずっと長い時間プラズマを閉じ込めて、安定に核融合の燃焼を続けることが目標になる。

　閉じ込めに影響するプラズマの不安定性に関しては、予期しなかったことがいろいろ起こったのだが、だいたいはっきり

してきて、どうやって防ぐかということも分かってきた。残りのうちで最もやっかいだと考えられているのはプラズマディスラプ

ションである。

　これは、急にプラズマが自分自身で壊れてしまう現象である。発生するメカニズムは完全には分かっていない。発生時

には、プラズマのもっている大きなエネルギーが瞬時的に放出されるので、装置の保護という意味でも、是非とも解決しな

ければならない問題になっている。

＜他の核融合＞

　トカマクに代表される磁気閉じ込め以外にも、プラズマを閉じ込める方法がある。

　たとえば太陽だが、太陽では大きな重力によって密度の高いプラズマが閉じ込められている。地上ではこのような重力

は働かないが、小球の表面を四方八方からレーザーで急激に照射すると、表面が蒸発する反力で小球の内部がぎゅっと

圧縮される。内部の密度が千倍以上になると、原子核の距離が近づいて核融合が起きる。

　これを慣性核融合という。出力の高いレーザーが必要なため、大出力レーザーの開発を中心として研究が進められている。

　ほかには、一時期新聞で話題になった常温核融合がある。

　1989年の春に米国の学者が発表したものだが、室温で、ビーカーの中で電気化学的に核融合が起きるというのである。

重水とちょっとの材料があれば実験ができるので、それこそ世界各地の研究所で類似の実験が行われた。結果はさまざま

だった。常温核融合に成功したとするグループ、否定的なグループ、よくわからないとするグループがあり、はっきりとした

結論は出ていないようである。

　核融合が起こっているかどうかを判定する最も確実な方法は、重水のＤＤ反応で出てくる中性子を測定することである。

　濃弱中性子の測定に高い技術と優れた実績をもつグループのほとんどは、常温核融合の実験で否定的な結果を出し

ている。また、核融合が起こったとする実験についても、再現性がないことや、エネルギーを有効に取り出せるほどの頻度

で反応が起こるわけではないことが認められるようになってきており、どうもマユツバだというのが大勢になってきたようであ

る。

　もうひとつの常温核融合にミュオン核融合がある。電子の200倍の質量をもつミュオンという中間子が、原子同士の間で

共有されている電子と置き換わると、分子を外からぎゅっと締め付けるため、原子核の距離が縮まり核融合が起きるという

ものである。

　こちらは科学的な根拠もしっかりしており、実験によっても確認されている。しかし、ミュオンを作り出すのがたいへん難し

く、原理的な検討は進められているが、エネルギー取り出し装置としての核融合を議論する段階にはまだ至っていないよう

である

＜エネルギー取り出し＞

　ということで、やはり核融合の実現に一番近いのは、磁気閉じ込め型ということになる。

　これまでは、いかにプラズマを閉じ込めるかという、原子炉でいえば炉心に相当するところに研究の中心が置かれてきた。

しかし、将来、核融合を安定なエネルギー取り出し装置として、つまり核融合炉として利用していくには、さまざまな工学的

な技術が必要になる。

　まず、閉じ込め用の磁場を作るためのコイル（マグネット）である。プラズマを取り囲むようにコイルを巻くので、直径10セ

ンチメートル以上の大きなものになる。普通の銅を使ったのでは、銅の電気抵抗による電力損失が大き過ぎて、核融合か

らの出力を上回ってしまう。

　これでは何のために核融合をやっているのかわからないので、超電導マグネットを使って電力損失を小さくすることがど

うしても必要になる。大型の超電導マグネットを安定に動作させるという未踏の目標に向けて。国際協力で開発が進められ

てきた。

　次はプラズマの加熱と制御である。超強力な高周波を使うことが検討されている。電子レンジのお化けでプラズマを加熱

するのである。強力な粒子ビームを用いる方法も検討され、このための大強度イオン源などが開発されている。

　プラズマには、不純物が入るとエネルギー損失が大きくなってしまうという性質がある。不純物を低く抑えるために、プラ

ズマの領域を超高真空に保つこと、不純物をすばやく除去すること、プラズマを囲む壁を不純物を放出しにくい材料にする

ことが必要となる。

　ＤＴ核融合では、エネルギーの大半は、中性子のエネルギーとなってプラズマの外に出てくる。これを利用するために、

プラズマをブランケットと呼ばれるものでぐるりと囲う。

　中性子のエネルギーはブランケットの中で熱となる。この熱で発電を行うのは原子炉と同じである。ブランケットではエネ

ルギー密度が高くなるから、熱除去の方法やそれに耐える材料をどうするかが問題になる。

　ブランケットにはもうひとつの使命がある。トリチウムを作ることである。トリチウムは天然には存在しないから、ブランケット

の中で、リチウムと中性子を反応させて作る。できたトリチウムをどう回収するかも考えておかなければならない。トリチウム

は放射能をもつ物質だから、安全への対策も必要だろう。

　さらにブランケットでは、中性子の強い照射に耐えるような材料にしなければならないとか、大きな電磁力が働く中で構造

の健全性をどのように確保するかといった検討が必要である。

＜人類共通の目標＞

　三大トカマクの次にくる装置は、炉心プラズマ実験として、プラズマの自己点火と長時間の燃焼を目標とするもので、同時

に、炉工学技術の開発と関連する試験を可能とするような実験炉となる。このような実験炉は次期装置と呼ばれている。日

本、米国、欧州において、それぞれの大型装置につづく次期装置の設計が進められている。

　実験装置が大型になってくると、コストの点で、一つの研究機関や一つの国で負担することが苦しくなってくる。このような

ことから、国際熱核反応実験炉概念設計（ＩＴＥＲ）という次期装置の概念設計作業が、日、米、欧、ソの4グループの強力で

行われ、設計の結果が発表されている。

　エネルギー源としての核融合の特徴は、まず資源量が豊富で偏在がないことがあげられる。地球規模の環境に与える影響

もきわめて小さく、クリーンなエネルギーである。また、安全性の面でいえば、プラズマ中に一時に存在する燃料の量はごく

わずかなため、事故が起こったとしても過大なエネルギーの放出はない。

　次に放射能に関してだが、第一世代と考えられるＤＴ反応を用いる核融合では、トリチウムの問題がある。取扱いの技術を

確立しておかなければならない。中性子によって誘導放射能も発生するので、対策が必要となる。ここには、原子炉で蓄積

してきた放射能対策の技術やノウハウを生かせるだろう。

　将来の核融合としては、ＤＴ反応に続いて、ＤＤ反応、Ｄ3He反応を使うことになるだろう。

　ＤＤ反応では、燃料としてトリチウムを必要としないので、資源の問題が解決する。Ｄ3He反応では中性子が発生しないの

で、放射能の問題はごくわずかになると考えられる。また、この反応ではエネルギーはすべて荷電粒子に与えられるので、

これを直接電気に変換することが可能となり、発電の効率を高くすることができる。

　核融合の可能性として、月の3He資源を使って宇宙基地のエネルギー源としたり、核融合を惑星間航行用のロケットの

推進源とする検討が行われている。