「電気は流体である」という「常識」はいかに覆されたか：電流の正体、電子の発見史
はじめに
私たちの日常生活に欠かせない電気。明かりをつけたり、スマートフォンを充電したり、電車を動かしたりと、その恩恵は計り知れません。しかし、この電気の正体について、歴史上には様々な説が唱えられ、時代と共にその理解は大きく変わってきました。
かつて科学者たちは、電気が水や空気のように流れる、目に見えない「流体」のようなものだと考えていました。今回は、この「電気は流体である」という旧常識がどのように生まれ、そしてどのように覆され、現代の科学で理解されている電流の正体である「電子」の発見に至ったのか、その歴史をたどってみましょう。
電流の正体は「流れる何か」という旧常識
今でこそ、電流は電荷を持った非常に小さな粒子、主に「電子」の流れであると習いますが、歴史上長い間、電気の具体的な実体は謎に包まれていました。人々は、雷のような恐ろしい現象や、琥珀をこすると軽いものが引きつけられるといった不思議な現象として電気を認識していました。
特に、摩擦によって電気を帯びる静電気の実験が進むにつれて、電気は物体から物体へ移動する「何か」ではないか、という考え方が広まっていきました。まるで液体が配管の中を流れるかのように、電気が物質の中を移動すると考えられたのです。これが「電気流体説」と呼ばれる古い常識の元となりました。
旧常識が生まれた背景：電気流体説の時代
電気流体説の発展に貢献したのは、18世紀の科学者たちです。特に有名なのは、アメリカの政治家でもあったベンジャミン・フランクリンです。彼は、有名な凧の実験で雷が電気現象であることを示唆した人物でもあります。
フランクリンは、電気には正と負の性質があることを見抜き、これをそれぞれ「正の電気流体」と「負の電気流体」と考えました。摩擦によって物体が電気を帯びるのは、これらの流体の一方が増えたり減ったりするからだと説明しました。例えば、ガラス棒をこすると正の流体が増え、ゴムをこすると負の流体が増えるといった具合です。そして、正と負の流体が互いに引き合い、同じ性質の流体は互いに反発すると考えました。
当時の実験装置であるライデン瓶（電気を蓄える装置、コンデンサの原型）なども、この電気流体が瓶の中に溜まるものとして理解されました。流体という考え方は、当時の現象を説明する上で非常に分かりやすく、多くの科学者に受け入れられました。電気現象を統一的に説明する、有力な「常識」となったのです。
疑問の投げかけと新しい発見
しかし、この電気流体説だけでは説明が難しい現象も現れ始めました。19世紀に入ると、イタリアのアレッサンドロ・ボルタがボルタ電池を発明し、初めて持続的な「電流」を生み出すことに成功します。静電気のような瞬間的な放電ではなく、回路の中を継続的に電気が流れ続ける現象です。
ボルタ電池を使った実験から、電流が流れると水を分解したり（電気分解）、金属をメッキしたりといった化学的な作用を引き起こすことが分かりました。また、デンマークのハンス・クリスティアン・エルステッドは、電流が磁場を作り出すことを発見しました。さらに、イギリスのマイケル・ファラデーは、その逆、つまり磁場の変化が電流を生み出す電磁誘導の法則を発見しました。
これらの新しい発見は、電気現象が単なる「流体」の移動だけでは捉えきれない、もっと複雑で奥深い性質を持っていることを示唆していました。特に、電気分解における物質の質量と通過した電気量との関係（ファラデーの電気分解の法則）は、電気が何らかの「粒」のようなものと関係している可能性を示唆するものでしたが、まだその正体は不明でした。
電子の発見：電流の正体が明らかに
電気の正体に関する決定的な進展は、19世紀末に訪れます。真空に近いガラス管の中で高い電圧をかけると見られる「陰極線」という現象の研究が進められていました。この陰極線が一体何であるのか、当時の科学者の間で大きな議論となりました。光のような波であると考える学者もいれば、粒子のような流れであると考える学者もいました。
この論争に終止符を打ったのが、イギリスの物理学者ジョゼフ・ジョン・トムソンです。1897年、彼は巧妙な実験を行い、陰極線が非常に小さなマイナスの電気を帯びた粒子の流れであることを証明しました。様々な気体や陰極の金属を変えても、この粒子の性質が変わらないことから、これはどんな物質にも共通して含まれる、電気の「素」となる粒子であると考えられました。
この発見された粒子こそが、後に「電子」と名付けられるものです。電子は、原子の構造要素の一つであり、その発見は「原子は分割できない最小単位である」という、これまた当時の強固な常識をも覆すものでした。
旧常識の訂正と科学の進歩
J.J.トムソンによる電子の発見は、「電気は流体である」という旧常識を根本から覆しました。電流とは、目に見えない正負の流体が流れるのではなく、具体的な実体を持つ粒子、すなわち電子が移動することによって生じる現象であることが明らかになったのです。
この新しい理解は、その後の物理学と化学に計り知れない影響を与えました。原子が電子と原子核からできているという現代的な原子模型へと繋がり、物質の性質や化学反応を電子の動きによって説明できるようになりました。また、電気現象が粒子のレベルで理解されるようになったことは、エレクトロニクスという新しい分野の扉を開き、真空管、トランジスタ、そして今日の集積回路といった技術の発展を可能にしました。
科学におけるパラダイムシフト、つまりそれまでの基本的な考え方が大きく転換する出来事だったと言えます。電気の正体は「流体」ではなく「粒子（電子）」であった、という事実の発見は、科学技術文明を大きく前進させたのです。
現在の電気の理解
現在の物理学では、電流は単に電子の流れだけではありません。金属導体の中では主に自由電子という形で電子が移動しますが、半導体では電子と「正孔（ホール）」と呼ばれる仮想的な粒子（電子の抜けた穴のようなもの）が、液体の中ではプラスやマイナスの電気を帯びた原子や分子である「イオン」が移動することで電流が生じます。
物質によって電流を担う電荷の運び手は異なりますが、いずれも電荷を持った粒子の移動であるという点では共通しています。かつての電気流体説が電荷の「流れ」を捉えていたことは間違いではありませんでしたが、その実体が「流体」ではなく特定の物理的な「粒子」であった、という点が現代の理解との決定的な違いです。
まとめ
静電気の奇妙な現象から始まった電気への探求は、「電気流体説」という分かりやすいモデルを生み出し、長く科学の常識となりました。しかし、新しい実験や現象の発見がその常識に疑問を投げかけ、最終的にはJ.J.トムソンによる電子の発見によって、電流の真の姿が明らかになりました。
この歴史は、科学というものが、一度確立された常識であっても、新しい証拠や観察によって絶えず問い直され、より正確な理解へと更新されていくプロセスであることを示しています。目に見えない電気の正体を巡る科学者たちの探求と、それがもたらした理解の変遷は、科学の面白さと奥深さを私たちに教えてくれるのではないでしょうか。
現代社会を支える電気技術は、こうした歴史上の試行錯誤と発見の上に成り立っているのです。