滝つぼの水は、落ちる前より温かいの？
― 新婚旅行に温度計を持っていった科学者がいました

答えは「ほんの少しだけ、温かくなる」です。水が落ちる勢いは、滝つぼでぶつかって消えたように見えます。でも本当は、水の中の目に見えない揺れ、つまり熱に姿を変えています。この小さな温度の差を確かめようとして、新婚旅行に長い温度計を持っていった科学者がいました。

落ちた水が温かくなる理由は、2つに分けるとわかります

いまでは当たり前に聞こえるこの話も、昔は当たり前ではありませんでした。「動き」と「熱」が同じものの別の姿だと、誰も知らなかったからです。

熱は「物質」だと思われていた

1800年ごろまで、多くの学者は、熱を目に見えない液体のようなものだと考えていました。熱い物から冷たい物へ、この液体が流れ込むという考えです。これは「熱素説」と呼ばれます。

この考えにひびを入れたのが、ランフォード伯と呼ばれた人物です。1798年、彼は大砲の筒をくりぬく工場で、削っている金属が水を沸かすほど熱くなることに注目しました。削り続けるかぎり、熱はいつまでも出てきます。もし熱が物に入った液体なら、いつか使い切るはずです。

それでも、熱素説はすぐには消えませんでした。「どれだけの動きが、どれだけの熱になるのか」。この量の関係を、きちんと測った人がいなかったからです。

ビール醸造所の息子が、温度計で答えを出した

イギリスのマンチェスターに、ジェームズ・プレスコット・ジュールという人がいました。家業はビールの醸造所です。大学の教授ではなく、自宅で実験を重ねていました。醸造では温度の管理が大切です。彼は、とても細かく温度を読み取る技術を身につけていたとされています。

ジュールが考えた実験が、図1の右側です。おもりが下へ落ちると、ひもが軸を回します。軸についた羽根が、容器の中の水をかき回します。水がかき回されると、温度がわずかに上がります。おもりが落ちた距離と、水の温度の上がり方を比べれば、「動き」と「熱」の交換レートがわかるわけです。

結果は、とても小さな温度の変化でした。ジュールは、温度計の目盛りを1度の数百分の1まで読んだとされています。こうして彼は、動きと熱のあいだに、いつも決まった交換レートがあることを示しました。熱の量を表す単位「ジュール」は、彼の名前にちなんでいます。

新婚旅行の滝で、温度計を持っていた

1847年、ジュールは結婚し、スイスとの国境に近いアルプスの谷へ新婚旅行に出かけました。そこで、若い物理学者ウィリアム・トムソン（のちのケルビン卿）とばったり出会います。トムソンの回想によると、ジュールは長い温度計を手にしていました。滝の上と下で水温を測り、落ちた水が温かくなっているかを確かめるつもりだったと伝えられています。

ただ、この測定はうまくいかなかったようです。滝ではしぶきが空気にふれて蒸発し、水を冷やします。風や日ざしの影響もあります。0.2度ほどの差は、こうした乱れに簡単に埋もれてしまうのです。

それでも、この出会いは大きな意味を持ちました。トムソンはジュールの考えに強くひかれ、2人はその後、共同で研究を進めます。「エネルギーは形を変えても、全体の量は変わらない」という考えが、こうして固まっていきました。

まとめ

高い滝を落ちた水は、ほんの少し温かくなります。落ちる勢いが、滝つぼで渦やしぶきに分かれ、最後は水の粒の揺れ、つまり熱になるからです。ただし水は温まりにくく、落差100メートルでも0.2度ほどです。この小さな差を追いかけた人たちが、「エネルギーは消えない」という自然のきまりを見つけました。

滝の音も、しぶきも、最後は熱になる。
勢いは消えるのではなく、目に見えない揺れに姿を変えるだけです。

こする動きが熱に変わる身近な例は「手をこすり合わせると、なぜあたたかくなるの？」で、熱の量をどう数えるかは「食べ物の『カロリー』って、そもそも何を測った数字なの？」で解説しています。

※本記事は一般向けの科学解説です。掲載した数値は、しくみを理解するための目安・概算です。歴史上のエピソードには、当事者の回想に基づき細部に諸説があるものを含みます。滝を見に行く際は、足場の悪い岩場や滝つぼに近づかず、現地の案内や立入禁止の表示に従ってください。