物理学者たちは、予想以上に奇妙な氷の形を見つけている

水の固体状態は見た目ほど単純ではない

氷は冷凍庫の製氷皿や冬の湖ではおなじみの存在に見えるが、物理学者たちはそれを自然界で最も驚くべき物質の一つとして捉えつつある。Quanta Magazine の新しい報道によれば、科学者たちはこの1年だけで3種類の新しい氷を特定し、その中にはこれまで観測された中でも最も複雑な氷相の2つが含まれている。これらの発見は、すでに20を超える既知の結晶氷相を含む、拡大し続けるカタログに加わるものだ。

重要なのは、氷の種類が多いということだけではない。水は条件によって、実に幅広い固体構造を自ら組み上げられるらしい、という点だ。研究者たちは現在、コンピューターシミュレーションが数万もの可能な氷の形を予測していると述べている。もちろん、それらがすべて実験室や自然界で見つかるわけではない。だが、従来の仮定が許していたよりもはるかに豊かな相空間の中で研究が進んでいたことは示唆している。

なぜ氷は物理学者を驚かせ続けるのか

その理由は、水そのものの幾何学にある。Quanta は、水分子を酸素原子1個と水素原子2個の結合体として説明し、さらに2組の自由電子が分子の実質的な形を電磁力によって4本の腕を持つような構造へ広げていると述べる。この構造が、水に反復する結晶配列を作るうえでの特異な柔軟性を与えている。

通常の氷では、これらの分子はゆとりのある六角形構造を作る。この開いた配列のため、一般的な氷は液体の水より密度が低く、氷が浮き、湖が上から下へ凍る。だが圧力をかけると、水はまったく異なるパターンに圧縮されうる。温度を変え、圧力を変え、あるいはそれらを加える速度を変えると、分子は新しい結晶状態へ落ち着くことがある。

ローレンス・リバモア国立研究所の Marius Millot は Quanta に対し、水の圧縮のされ方が少し違うだけでも、まったく予想外の挙動が現れうると語った。このコメントは、この分野が加速している理由をよく示している。実験技術が向上し、古い前提を捨てるにつれて、研究者たちは、作ることも検出することも難しかったために見えなかった構造を次々と見つけている。

1年で3つの新形態

報道によると、この1年で3種類の新しい氷が発見された。そのうち2つは、これまで見つかった中でも最も複雑な相に数えられる。ケンブリッジ大学の Chris Pickard は現在の時期を特筆すべきものと表現し、研究者たちがこうした構造をさらに多く見つけていると述べている。

この速度が重要なのは、新しい相が見つかるたびに理論予測が検証され、洗練されるからだ。水は長いあいだ、より単純な物質と比べて奇妙な振る舞いをするとして知られてきた。確認済みの氷の形が増えるにつれ、物理学者たちは、自分たちのシミュレーションが極限条件下での分子組織の真の可能性を捉えているかどうかを、よりよく確かめられる。

増え続ける一覧は、この分野の雰囲気も変えている。珍しい氷相を稀有な珍品として扱うのではなく、科学者たちは、それらをまだ部分的にしか地図化されていないより広い景観の一部として捉え始めている。もし、可能性として数万の形を示すシミュレーションが方向としてでも正しいなら、現在の発見は終着点ではなく初期段階を示しているのかもしれない。

地球の外では、奇妙な氷はありふれているかもしれない

こうした発見が重要なのは、地球上では珍しい氷が、他の場所では珍しくない可能性があるからだ。Quanta は、異常な氷が、冷たく非晶質な彗星の尾から、氷の惑星の高温で圧し潰されるような内部まで、さまざまな環境に存在しうると指摘する。言い換えれば、水の極限相を実験室で研究することは、惑星内部や地球外の条件を考える手段でもある。

それによって、単なる材料科学のニッチな話に見えるものの意義が広がる。水は日常生活で最も身近な物質の一つだが、異星的な条件下での挙動は、物理的に到達できない場所を理解する手がかりになりうる。可能な氷相の地図がより完全になるほど、圧力と温度が珍しい形で組み合わさる遠い世界の内部で何が起きているのかを、科学者はよりよく解釈できるようになる。

Quanta の報道にある “space oddity” という表現は、この重なりをうまく言い表している。氷は単なる家庭用の材料でも、地球物理学的な材料でもない。ますます、太陽系の構造の一部をなす奇妙な姿を持つ惑星材料なのだ。

より良い方法が切り開いた分野

この話は、発見がいかに方法に依存するかも示している。報道は、最近の進展を実験技術の向上と、古い前提から離れる姿勢に帰している。水の分子構造は昔から変わらない。変わったのは、科学者がそれを新しい領域へ押し込み、そこで何が形成されるかを特定できるようになったことだ。

成熟した科学分野の進歩は、しばしばこうした形をとる。誰もが知っていると思っていた物質が、道具が進歩すると再び未知になるのだ。この場合、研究者たちは、圧力下の水は単に程度が違うだけではなく、種類としても違う組織化をすることを見つけている。

したがって、今回の発見はカタログへの追加以上の意味を持つ。氷の物理学が現在どれほど開かれたものに見えるか、その認識を変える出来事だ。氷を単一の、あるいはほぼ決着した物質として見るイメージは、広大な結晶的可能性の家族へと置き換わりつつある。

単純な物質のより大きな意味

地球で最もよく知られた分子の一つが、いまなお基本的な驚きを与えているという考えには、科学的にも哲学的にも意味がある。水は依然として化学、気候、生物学、惑星科学の中心にある。それでも、その固体形態は、専門家自身が驚くほどの速さで発見され続けている。

だからこそ、最新の発見は目先の技術的な詳細を超えて重要なのだ。身近な材料であっても、適切な条件と装置がその構造を明らかにするまで、構造は目の前に隠れていることがある。過去1年で3種類の新しい氷が報告され、さらに多くが存在する可能性がシミュレーションで示される今、物理学者たちは氷の科学を微調整しているだけではない。それを再び開き直しているのだ。

この記事は Quanta Magazine の報道に基づいています。元記事を読む。