世界的に有名な ピッチドロップ実験 で奇妙なことが起きています。最新の滴は、ここ数回の滴よりもはるかに早く形成されています。
これまでに9滴が落ちており、現在は、2020年代のいずれかの時期と予想される 10滴目を観察しようと、注目が集まっています。
始まり 最も長く続いている実験室実験 としてギネス世界記録に認定されています。そして、その間、ピッチの滴が落ちる瞬間を目撃した人は一人もいません。
しかし、単純な講義用の実演として始まったこの実験は、世界中の何万人もの人々の関心を集めてきました。
始まり
この実験を考案し、初代管理者を務めたのは、クイーンズランド大学初代物理学教授のトーマス・パーネル教授でした。1927年、彼はこの実験を、存在が知られている中で最も粘度の高い流体であるピッチの粘性を実証するために設置しました。
パーネル教授はピッチを加熱してガラス製の漏斗に注ぎ、3年間冷却させました。1930年10月、漏斗の底が切り取られ、ピッチが流れ始めました。
最初の滴が落ちるまでに8年かかりました。次の5滴は、それぞれ落ちるまでに7年から9年かかり、6滴目は1979年4月に落ちました。
7滴目は1988年7月、6滴目から9年後に落ちました。この時点では、ピッチドロップ実験で分かることはもうすべて明らかになったかのように思われました。
しかし、科学が計画どおりに進むことはめったにありません。比較的最近になって、ピッチドロップ実験は予測がはるかに難しくなりました。
厄介な8滴目
8滴目が落ちるまでには12年以上かかりました。なぜそれほど時間がかかったのか、はっきりとは分かりませんでした。漏斗に残るピッチの量が減るにつれて圧力が低下したためかもしれません。
別の説明として、ピッチドロップ実験が置かれている建物は1980年代に改修され、新たに設置された空調設備が実験を冷やし、その結果、ピッチの粘度が高まったのではないかとも考えられました。
この仮説を裏付ける証拠は、8滴目の大きさが以前の滴より明らかに大きかったことです。
9滴目がこの謎を解く手がかりになることが期待されましたが、下降し始めた9滴目は、下のビーカーにある8滴目の尾部にぶつかりました。
実験に手を加えるよりも、ピッチドロップ実験の2代目管理者であるジョン・メインストーン教授は、パーネル教授が作ったままの状態にして、どうなるかを見るのが最善だと考えました。
10年が経つと、9滴目は最初の7滴より大きく、落下速度も遅いことが明らかになりました。しかし、実験条件が変わっていたため、未解決の疑問の解明には役立ちませんでした。9滴目は8滴目に支えられていたのです。
科学とはそういうものです。次々と新たな障害が見つかりました。2012年初め、私はピッチドロップ実験を記録し、ピッチが落ちる様子を実際に見られるようにタイムラプス動画を作成するため、ビデオカメラを設置しました。
2013年半ばには、9滴目は実際に落下するのではなく、そっと着地することになりそうだと分かりました。
9滴目が落ちないと分かったのは残念でしたが、ピッチドロップ実験は新たな知見をもたらし続けていました。8滴目の細い部分は曲がり、壊れかけていました。タイムラプス映像からは、9滴目の下降が加速していることが明らかになりました。そして、歴史上初めてピッチの滴が終わりを迎える瞬間を目撃するという目標も、まだ残っていました。
目撃者はいまだ現れず
1930年にピッチドロップ実験が始まって以来、ピッチが実際に落ちるのを見た人はいません。パーネル教授とメインストーン教授が滴の落下日を知っていたのは、ある日には滴が付着していて、翌日には落ちていたからです。
2000年には8滴目を撮影するためにコンピューターとカメラが設置されましたが、あいにく停電のタイミングが悪く、滴を記録できませんでした。
9滴目は実際には落ちない見込みでしたが、世界各地から多くの関心が寄せられました（158か国の33,335人がライブ配信の視聴登録をしました）。人々は、9滴目が着地する正確な瞬間を知りたがっていました。
私が設置したタイムラプスカメラは、直近4日間の連続動画も記録していました。さらに、9滴目が終わりを迎えることを見越して、ビデオカメラを2台追加で設置しました。そのため、歴史上初めて着地の正確な瞬間が分かると考えられていました。
しかし、ピッチドロップ実験には別の展開が待っていました。
水やピッチなどが滴り落ちるとき、滴は速度ゼロから始まり、重力によって自由落下しながら9.8m/s2で加速し、地面にぶつかって止まります。
速度が目に見えて変化するため、その瞬間を特定するのは簡単です。ところが、9滴目は自由落下するわけではなく、速度が急に上がることもありません。
さらに厄介なのは、9滴目が8滴目の真上にまっすぐ着地するのではなく、かすめるように当たり、着地後も下降を続けることでした。
つまり、9滴目が着地する瞬間を特定するには、下降速度が極めて遅い状態から、さらに遅くなる変化に気づく必要がありました。
その変化が起きた瞬間を人間が目で見ることは、誰にも到底できません。観察者たちは当初、着地時刻は2014年4月11日から14日の4日間のどこかだろうと推測しました。
着地の瞬間はタイムラプス動画で確認できると期待されていました。この動画は1日1回撮影した静止画を連ねて作られ、動きを200万倍に速めたものでした。
残念ながら、8滴目は9滴目よりカメラにわずかに近かったため、両者の接触点は見えませんでした。しかし、タイムラプス映像を分析すれば、着地の日付を特定できます。
アンソニー・ジャコ博士と私が行った分析では、下のグラフに4月4日から23日までの滴の位置を示しています。データの傾きは、ピッチの下降速度を表します。
ピッチドロップ実験の9滴目はいつ落ちたのか？ 著者提供
4月11日と12日の間に不連続な変化が見られます。ピッチの下降速度が1日あたり0.25mm（青線）から0.1mm（緑線）に変わっており、着地は4月11日または12日に起きたことを示しています。
私は幸運にも4月11日の正午ごろ（11日撮影の写真が撮られた後）にピッチドロップを間近で調べることができました。その際、9滴目と8滴目の間には、わずか1ミリ未満の隙間がまだ見えていました。そのため、正確な時刻をさらに絞り込めます。
上の図が示す下降速度を踏まえると、着地は4月12日に起きたと結論づけられます。
9滴目が着地した時期は明らかになりましたが、ピッチドロップ実験についてはさらに疑問が生じています。
8滴目が壊れずに着地した後、2代目および3代目の管理者であるメインストーン教授とホワイト教授は、9滴目も着地した場合にどうするかについて、何度も話し合いました。
早い段階で検討された案の一つは、ガラス製の漏斗を持ち上げて滴が形成される空間を広げ、うまくいけば滴が分離して落ちるようにすることでした。しかし、それを実行策として絞り込んだ頃には、8滴目がその下の滴の塊に固着しているように見え、すでに手遅れでした。
露わになったピッチドロップ
9滴目でも同じことが起きるのを避けようと、ホワイト教授は今年4月24日にビーカーを交換することを決めました。彼は数十年ぶりに、ピッチドロップ実験を覆っていたガラス製のベルジャーを取り外しました。
本人にも、存命の誰にも知られていませんでしたが、ガラス製のベルジャーと、実験が置かれている木製の台の間には密封部があり、その密封部は時間とともに劣化していました。
予想に反してベルジャーだけが持ち上がるのではなく、実験装置全体が一時的にベルジャーとともに持ち上がり、その後、離れて落下しました。その結果、9滴目の細い部分は、落下元の漏斗から完全に分離しました。
折れた細い部分を観察すると、興味深いことが分かりました。その中心にはくぼみがあり、9滴目は上から円柱状の細い部分の円形断面全体に支えられていたのではなく、外側の輪だけに支えられていたことを示していました。破断箇所の細い部分は中空だったのです。
速まるペース
もう一つ興味深い観察結果として、10滴目は予想より速く形成されていることが分かります。タイムラプス映像の最初の6か月分を分析すると、10滴目の体積は1日あたり約19 mm3の割合で増加しています。これは約50日ごとに1立方センチメートル増える計算です。
1984年に発表された、ピッチドロップ実験に関する唯一の 論文 では、ピッチの粘度（最初の6滴の平均値）は2.3×108 Pa s（パスカル秒）とされています。これは水の約2,500億倍です。
論文と同じ寸法を用いて計算したところ、10滴目の粘度は2.7×107 Pa sで、水の約300億倍でした。
この新たな値は以前の値より1桁小さく、見かけ上流れが速くなったことを説明できるでしょう。しかし、日ごと・季節ごとの温度変化を含めたモデルを用いて元の論文が予測した値の範囲内です。
10滴目の流速が増したことを説明しうる、ピッチドロップ実験に関するもう一つの最近の変化は、実験の展示ケース内の照明です。
2010年4月、私は展示ケースに蛍光灯のダウンライトを設置しました。数年後、それらはより高温になるハロゲン灯に交換されました。
ピッチドロップ実験には世界中にファンがおり、インターネットを通じてライブ映像を見ているため、照明は常時点灯させる必要がありました。しかし、そのために展示ケース内の温度が上がりました。さらに悪いことに、ピッチドロップはベルジャーという独自の温室の中に密封されているのです。
今年10月17日、ホワイト教授と私は温度を数か所で測定しました。その結果、実験の温度は室温より数度高く、場所によって異なり、漏斗の上部にあるピッチは滴の中のピッチよりほぼ10度高いことが分かりました。
温度の上昇によって流速が上がったと考えられ、これが10滴目の粘度が低く、形成が速い理由かもしれません。
ピッチドロップ実験は単なる実演として始まったため、温度記録はこれまで残されていません。温度上昇がどれほど影響したのかを判断するのは難しいものの、いずれ明らかになるでしょう。
ダウンライトは、より低温のLED照明に交換され、ピッチドロップ実験の温度は室温に戻りました。
今後6か月もすれば比較に十分なデータが得られることを期待しています。しかし、ピッチドロップには別の思惑があるかもしれず、もっと時間がかかる可能性もあります。
結局のところ、ピッチドロップ実験が秘密をすべて明かすまでに、何人の管理者が交代するのかは誰にも分かりません。待って見守るしかなさそうです。
との共同企画で掲載 The Conversation
著者：アンドリュー・ステファンソンは、クイーンズランド大学のサイエンス・コミュニケーターです。
画像：アンドリュー・ステファンソン博士とアンソニー・ジャコ博士が、世界最長の実験室実験を調べています。