ブドウが電子レンジで火の玉になる理由

インターネットには、思慮深い人々が何かを燃やす動画が溢れています。中でも定番の動画をご紹介します。ブドウを半分に切り、両半球をつなぐ皮を少し残します。電子レンジで5秒加熱します。一瞬、ブドウの半分が家庭での使用には耐えられないほどの火の玉を作り出します。

物理学者のスティーブン・ボシ氏は、2011年にYouTubeチャンネル「Veritasium」のために、シドニー大学物理学部の休憩室でこの実験を試みた。カメラの前では、彼と番組の司会者はブドウの輝きに歓声を上げていた。「ドラッグなんていらない！」とボシ氏が叫ぶ動画の中で、サイケデリックな煙が噴き出す。カメラが回っていないところで、彼らは物理学部の電子レンジの内部を焦がしていたことに気づいた。

キッチン家電を溶かしさえしなければ、大勢の人が喜ぶ仕掛けです。しかし、YouTubeで何百万回も再生され、おそらく何十回も電子レンジが焦げたにもかかわらず、なぜこの火の玉ができるのか、誰も正確には解明していませんでした。ネット上でよく使われる説明では、ブドウの半分がアンテナのように働き、マイクロ波を小さな皮の橋に導いて最初の火花を点火させるとされています。しかし、実際に計算して証明した人は誰もいませんでした。数年にわたってブドウの形をした物体を電子レンジで加熱し、その物体のマイクロ波加熱をシミュレーションした結果、カナダの物理学者3人がついにその謎を解明したかもしれません。

物理学者たちは、人々が火の玉に気を取られていると指摘する。彼らは本日、米国科学アカデミー紀要（Proceedings of the National Academy of Sciences）に掲載された論文の中で、火の玉は「刺激的で記憶に残る」が「二次的な関心事」だと述べている。火の玉は、プラズマと呼ばれる、電子とイオンがばらばらに集まった美しく熱い塊に過ぎない。最も興味深い科学的事実は、プラズマに至るまでの過程にあると彼らは言う。真の疑問は、そもそもブドウがどのようにしてプラズマを生成するほど熱くなったのか、ということだ。

そこで彼らは電子レンジを回し、次々とブドウを加熱した。水に浸したプラスチックビーズでブドウのレプリカを作った。そして、ブドウとそのレプリカをプラズマが発生する寸前まで加熱する方法を編み出した。しかも、実際には火花を散らすことなく加熱するのだ。さらに、ブドウをより鮮明に撮影できるよう、電子レンジの扉をより透明なメッシュに交換した。

彼らの結論はこうだ。ブドウはアンテナというよりトロンボーンに近い。ただし、音ではなくマイクロ波を扱う。トロンボーンを演奏する際、振動する空気を中に送り込む。トロンボーンは、スライドの位置に応じて特定の波長（つまり、あなたが聞く音）の振動のみを維持する。定在波と呼ばれる特定の波長だけがトロンボーンの内部にぴったり収まる。様々な波長の振動する空気がトロンボーンに入ると、定在波は互いに強め合い、他の波長は互いに打ち消し合う。つまり、トロンボーンは定在波を増幅し、他の波長の定在波を消音するのだ。

ちなみに、ブドウはキッチン家電から放射されるマイクロ波を増幅するのに最適な大きさです。家電はマイクロ波をブドウの半分に送り込み、マイクロ波は反射して互いに加算され、皮膚の一点にエネルギーを集中させます。両方のブドウの半分は、エネルギーを同じ小さな点に集中させます。その強力なエネルギーは、その点にある原子や分子を激しく揺さぶり、電子を保持できなくなるほどに加熱します。すると、プラズマへと変化し、火の玉のように爆発します。

論文に掲載されているブドウのシミュレーションに携わったコンコルディア大学の物理学者パブロ・ビアヌッチ氏は、マイクロ波が冷凍肉を解凍するようにブドウの外側から内側に作用するという誤解がよくあると指摘する。そうではなく、マイクロ波がブドウ全体と相互作用し、ブドウの内部に入り込み、興奮した子犬のようにブドウの周囲を跳ね回ると考えることが重要だ。

また、2つのブドウの半分の形と、それらをつなぐ小さな皮の橋渡しは重要ではないことも発見しました。例えば、丸ごとのブドウ2粒を並べて電子レンジで加熱すれば、火の玉を作ることができます。しかも、ブドウである必要すらありません。「水分が十分にあれば、ブドウくらいの大きさのものなら何でも使えます」と、電子レンジ加熱の大部分を担当したマクマスター大学の大学院生、物理学者ハムザ・カタック氏は言います。彼らはこの点を実証するために、電子レンジで加熱したグーズベリー、大きなブラックベリー、さらにはウズラの卵を使って火の玉を作りました。

しかし、物理学者たちにとって、これは単なるおやつタイムではなかった。ボシ氏によると、この研究にはより深刻な応用もあるという。彼のブドウの火の玉を使った実験は2011年のYouTube動画で始まり、終わったが、彼の好奇心はそこで終わったわけではない。「論文の科学的な深みに感銘を受けました」とボシ氏はメールで述べている。特に、著者らがブドウのホットスポットを記述するための数学的な規則を考案したことに注目している。彼らはこれらの規則をより小さなスケールに縮小し、例えばナノ粒子に同様のホットスポットを作り出すことができると考えられる。ビアヌッチ氏によると、科学者たちは加熱したナノ粒子を使って、非常に精密なセンサーを作ったり、化学反応を促進したりしているという。

しかし、まだ解決には至っていない。電子レンジで加熱している間、隣り合わせに置いた2粒のブドウが何度もぶつかり合うことに気づいた。なぜそうなるのかは不明だが、次はそれを研究する予定だとビアヌッチ氏は言う。

これらの研究では、果物ではなく、プラスチック製のブドウの模型が使われるでしょう。「ブドウは腐らないからです」とカタック氏は言います。レーズンを試してみてもいいかもしれません。

WIREDのその他の素晴らしい記事