とっぴ「いやぁっほーい・・・あれ？ 何見てるの？」
ひろじ「これ？ サイエンス（サイエンティフィック・アメリカン日本版）のＤＶＤ-ＲＯＭ版（＊１）」
とっぴ「なになに・・・氷表面の謎を解く・・・なんだか、難しそうな記事だね」
ひろじ「物理では有名な話題だよ。ただ、ぼくが思ってたのとは違う内容だったので、じっくり、いろんなことを考えながら、読みなおしていたところ」
とっぴ「へえ、ひろじさんも、迷うことがあるんだね」
ひろじ「なにいってるの。ぼくは迷ってばかりだよ。その点では、とっぴくんと同じかな」
とっぴ「えへへ。で、どんなことで迷ってるの？」
ひろじ「スケートやスキーで、氷や雪がよく滑るのはなぜかって話題。例えばこっちの本には、氷はなぜ滑るのかというタイトルで、熱力学で計算した結果が書いてある（＊２）。スケートの場合、スケートが氷の表面を押しつける圧力で、氷点（融点）が下がるのは0.9Ｋという計算結果なんだ」
とっぴ「ええと、融点が下がるってことは・・・」
あかね「氷が溶ける温度がセ氏０度じゃなくて、セ氏－0.9度になるってこと。つまり、氷が融けやすくなるってことでしょ」
ひろじ「その通り。圧力で氷が融けて水になるために、スケート靴やスキー板が氷や雪の上でよく滑るようになるというのは、たいていの教科書で説明されている内容なんだ」
ろだん「あれ？ でも、雪山の雪って、セ氏０度じゃないだろ。セ氏－５度とか、－１０度とか、かなり低い温度だぜ。それで0.9度融点が変わったって、氷は融けないだろ」
ひろじ「まさに、それがぼくも疑問に思っていたことなんだ。圧力効果だけでは、低い温度の氷や雪でスケートやスキーができる理由が説明できない。それを補完する説明がなんだか、知ってる？」
あかね「わたし、聞いたことあるわ。摩擦熱よ！」
ひろじ「そう！ この本にも、スケート靴やスキー板が摩擦で氷面を融かすことが、よく滑る原因だと思われる、と書いてある。ほとんどの本が、この二つ、圧力効果による融点降下と、摩擦熱による氷の融解が、氷がよく滑る原因だと書いてあるんだ」
ろだん「それでいいような気がするけどな。何で迷ってたんだよ」
ひろじ「それは・・・」
とっぴ「そっか！ だって、摩擦熱が生じるためには、滑らなくちゃいけない。でも、低い温度の雪だと水がまだできていないから、滑らない・・・」
あかね「あ・・・」
ひろじ「そうなんだよ。この説明をしていて、一番ひっかかるのは、それだった。氷が融けて水になるから、滑る。滑るから摩擦熱が生じる。それで氷が融ける・・・ところが、一番最初のところで、とっぴくんがいうように、矛盾があるんだ」
ろだん「そういえば、そうだな」
とっぴ「じゃ、最初にさ、もう、氷がとけて水になってるところがあったんじゃない？ だから、滑り始めるんだよ」
ろだん「氷点下５度とか１０度とかで、どうやって、氷が水になるんだよ」
ひろじ「まさに、その話が、サイエンスの記事で紹介されていたんだ。古くは、ファラデー（テーマイラスト）の実験に遡る」
あかね「ファラデーって、あの、電磁誘導のファラデー？」
むんく「電場や磁場を考えた、ファラデー？」
ろだん「電気分解の実験とかの、ファラデー？」
ひろじ「そう。このサイエンスの記事によれば、ファラデーは、１８４２年に、氷点下にある氷の表面に、液体の薄い層があることを実験で確かめている。同じ頃、あのチンダルも同じ実験結果を示しているそうだ。これらは、【表面融解】と呼ばれる現象なんだって。でも、トムソン兄弟（弟は後のケルビン卿）は、１８４９年に、先ほどの本にあった、圧力による融点降下説を唱えて、表面融解説に反論した。さらに、さっきの氷点下１０度でも氷が融ける現象の説明として、１９３９年に、ケンブリッジ大学のボーデンとヒューズが摩擦熱説を主張した。この二つが、今の教科書や科学解説書の説明に使われているんだ」
あかね「【表面融解】って、氷点下なのに、表面が水になっているの？ そんなの、おかしいでしょ？」
ひろじ「表面融解現象が厳密に実験的に確かめられたのは、１９８５年と１９８６年の二つの実験なんだって。今から４０年も前のことだけど、物理の理論が教科書レベルに定着するのには時間がかかるから、一般に広まっていなかったということだろうね」
とっぴ「氷点下で、融けてるって、どうして？」
ひろじ「とっぴくんは、どう思う？」
とっぴ「もし、そんなことがあるなら・・・ええと、氷の温度が、表面だけ高いとか・・・」
あかね「なにいってるのよ。そこだけ温度が高いなんて、へんよ！」
ろだん「そうだ。温度は表面でも内部でも同じだろう？ 熱平衡ってもんがあるぜ」
とっぴ「ええと・・・でも、表面の分子は、内部の分子より、動きやすいんじゃないかな。内部の分子は、ぎゅっと詰まったところにあるけど、表面の分子は、空気に接してて、動きやすい・・・」
ひろじ「お、すごいな。とっぴくん。だいたいのイメージは【表面融解】説と同じだよ。【表面融解】説では、同じ温度の氷でも、内部の分子は四方八方の分子との間で、分子間力の結びつきがあるから、動きにくい。ところが、表面近くでは、分子相互の結びつきの数が少ないから、分子は動きやすくなる。そのために、氷点下でも、氷の表面は流動的な、液体に近い状態になっている。これが【表面融解】現象の理論だよ。これらの現象の実験データは、１９８５年に鉛の結晶で、１９８６年にアルゴン・ネオンの薄膜で得られた。それ以来、研究者の間では【表面融解】が、すべての固体で起こるのが常識になったと、この記事には書かれている」
ろだん「すごい！ おれにも、その記事読ませて！」
ひろじ「この【表面融解】が教科書に載るようになるのは、もっと時間がかかるだろうね。クォークの話が物理の教科書に載ったのは、６番目のクォークが見つかってから。ゲルマンが最初にクォーク説を唱えてから、何十年も経っている」
とっぴ「ぼく、スキーに行きたくなっちゃったなあ」
あかね「何いってるの？ 冬がようやく終わったばかりなのに」
ろだん「でも、確かに、実験して確かめてみたいな」
むんく「南半球に行けばいい」
とっぴ「それ、いい！」
あかね「その旅費、部費で出ると思ってるの？」
（＊１）「日経サイエンスDVD－ＲＯＭ版記事データベース２０００→２００４」２０００年４月号、日経サイエンス社
（＊２）「日常の物理事典」近角聡信著、東京堂出版
※物語形式で物理法則の理論を扱った本『いきいき物理マンガで冒険』、その姉妹本である物理実験の本『いきいき物理マンガで冒険』が、日本評論社より発行されています。最後に立ち読みサイトやアマゾンへのリンクバナーがありますので、ぜひご利用下さい。
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