木原先生のお仕事は「日本物理学会誌」および「プラズマ・核融合学会誌」への２つの追悼文でも一応触れましたが、長さの制限のために、書きたいことも片端からカット、という状況でした。 そこでその欲求不満の解消のために改めて書いたのが以下の文章です。 これで先生のお仕事の概観を知って頂くことが出来れば幸いです。
木原太郎先生のお仕事
水野幸雄
木原太郎先生 は 1917 年 5月 5日に東京でお生まれになり、 1941 年に東京帝国大学理学部物理学科をご卒業、旧制大学院、助手を経て 1949 年に理学部助教授、1959年に教授になられました。 そして 1978 年に東大を定年でお辞めになられた後は電気通信大学で教授として 5年間、さらにその後、明星大学で教授および非常勤講師として 14 年間にわたって学生の教育に当たられて、ほんとに一生を研究と教育とに捧げられました。 1997年3月末に明星大学を最終的にお辞めになってからは悠々自適の生活に入られましたが、2年ほどして体調を崩され、１年半あまりのご療養の後、2001 年 2月10日に逝去なさいました。 享年は 83 歳でした。
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木原先生のご研究は多岐にわたっていますが、大きく分けますと 電磁波論、分子間力、ラズマ物理、宇宙論 の４分野になります。 先生は一生をかけて一つの分野を邁進するというタイプではなく、物理の興味に従って研究分野を移して行かれた趣きがあります。
1. 電磁波論
先生が 1941 年に学部を卒業されて旧制大学院に入られた時は故小谷正雄教授の指導を受けられ、原子・分子の物理学を学ばれました。 しかし時は太平洋戦争の真っ只中で、物理学者も戦時研究に動員され、小谷先生も朝永振一郎先生らとともに電波探知機の基礎研究として極超短波発信管「マグネトロン」の研究をなさっていた時代でした。（ちなみにこの研究で小谷先生は朝永先生とともに戦後の 1948 年に学士院賞をお受けになりました。）
木原先生もこのような中で極超短波の基礎研究の一環として、導波管の中のマイクロ波伝播の諸様相を研究され、その成果は戦後に「導波管」（修教社、1948) という単行本に纏められて出版されました。 これは導波管中のマイクロ波の固有振動モード、管のくびれや曲がりの影響，管内の輻射などを量子力学の摂動論的手法を駆使して調べあげた研究で、物理学科在学中に１年間を数学科で遊ばれて ３年の旧制大学を４年掛けて卒業された先生の数学的力量を遺憾なく発揮された研究です。 この単行本はそのまま先生の学位論文になりました。
2. 分子間力
しかし先生がもっとも力を入れられ、愛着を感じておられたのは分子間力ないしは気体論に関連した研究であろうと思われます。
先生はアルゴンなど希ガス原子からなる気体の第３ビリアル係数を、現実的な分子間力である Lennard-Jones ポテンシャルを用いて初めて具体的に計算なさいました。
また、窒素分子や二酸化炭素、メタンなどの「大きさ」と「形」のある分子間の相互作用を扱うために、石原明さんが考案された凸体剛体モデルをさらに周囲に Lennard-Jones ポテンシャルを張り付けたものに拡張した「コア・ポテンシャ」を創始され、それらの気体のビリアル係数を計算して実験値とのよい一致を示されました。
ヘリウムに２原子分子が可能かどうかの検証を目的とした分子間力への量子効果の寄与の計算や、３つの原子の間に働く３体分散力を計算して結果を気体の第３ビリアル係数や固体の結晶構造の決定に応用するなどは、これらの研究の延長線上にあります。
またさらに固体の結晶構造が分子の持つ電気四重極による分子間力の異方性に大きく影響されることに着目され、これとコア・ポテンシャルモデルとの組み合わせにより水素、酸素、窒素、二酸化炭素などの分子結晶の現実の結晶構造を解き明かされました。 電気四重極を持った分子の模型をフェライト磁石を用いて作り、それらが自発的に特定の空間群の結晶を作る所を目のあたりに見せるなどは先生の独壇場です。
また少し方向は違いますが、気体の輸送係数の分野でも、早くも戦争中に先生は小谷先生と一緒に、Boltzmann 方程式から出発して Lennard-Jones ポテンシャルの場合の種々の衝突断面積を世界に先駆けて計算し、粘性係数などの実験値と比較して分子間力のパラメターを決めるお仕事をなさいました。 その際、粘性率などを表す公式の第２近似を求めるにあたって、先生は持ち前の物理的感覚を働かせて、通常の手続きから得られる公式とほぼ同じ精度で遙かに簡単な、今日「木原の第２近似」と呼ばれる公式を導かれたなどは、先生の面目躍如たるものがあります。
そしてこれらのご研究の成果は先生のご著書「分子間力」（岩波全書、1976) に総合的に見ることが出来ます。 そしてさらにその後、東大の定年退職の後までもこれらの主題に関連した問題を繰り返し取り上げて研究され、論文に纏められています。
3. 結晶統計
なおここで私にとって忘れがたいのは結晶統計のお仕事です。 私は学部卒業の年、1953年秋に先生がアメリカから帰られると、旧制大学院で同じ木原研に残った鎮目俊夫君と共に「ｓ成分の Ising モデル」で先生から研究の手ほどきを頂きました。 これは先生がある方の学位論文の審査をされていた時に、その特質の解明に必要を感じて考えられた問題だそうです。
そこで私は毎日、方眼紙に図形を書いて２次元正方格子で n 本の辺を持つ閉じた図形にはどんなものがあるかを調べ、独立に同じ勘定を進める鎮目君と結果を比較し、確かめ合いながら作業を進めました。 そしてこの作業の過程で私は分配関数の高温展開と低温展開との間に通常の Ising モデルで成立する Kramers-Wannier の温度対称性が拡張した形で成り立つことに気が付き、それを証明することが出来て研究の醍醐味を味わいました。
このテーマは木原研では s=3 および s=4 の場合の比熱のグラフを書いて、それが s=2 の通常の Ising モデルの Onsager の厳密解と同様に対数的発散をしているように見えることを示し、論文に纏めて終りにしました。 しかし、世界ではこの問題に関しては色々と発展があり、今では例えば s>4 の時には相転移が１次になる、つまり潜熱があることが知られています。 先生もこの問題は後々までも気に掛けておられたようで、後に明星大学で学生に計算機実験をさせられました。 その結果を含む解説は先生のご著書 「Ｃによる統計力学」（東大出版会、1993）>に載っています。 なお、このモデルは我々よりも少し早くに Potts が論文にしていたので、今日、世界で「Potts-Kiharaモデル」と呼ばれているそうです。
4. プラズマ物理 と 核融合
1957 年頃になると世間で 核融合 が話題になってきました。 その一日、私は研究室での立ち話で先生から、『僕はこれから半年か１年、 プラズマ を勉強してみようかと思うんだけど、君も付き合って一緒にやってくれませんか』と言われました。 私はすぐに承諾しました。 先生もその時、「半年か１年」が１０年になるとは思っておられなかったでしょうが、私はそれが一生の仕事になるとは夢にも思いませんでした。 こうして木原研でも気体の一種としてのプラズマの研究が始まりました。
なお、木原先生が気体論の中で荷電粒子を扱われるのはこれが初めてではなく、以前にも放電実験の本多侃士先生と相談しながら、 Boltzmann 方程式を用いて放電管内の電子やイオンの行動を調べ、高周波放電の機構の解明などに当たられました（ Taro Kihara : The Mathematical Theory of Electrical Discharges in Gases (Rev. Modern Phys. 24 45-61(1952)))。 しかし、その時のご研究の興味は荷電粒子の中性粒子との衝突やイオン化が放電にどう効くかにあって、磁場の影響やプラズマ振動などの集団現象は全く対象外でした。 ですから先生にとってもプラズマらしいプラズマはその時が初めての経験であったわけです。
とにかくそのような中で、1957年の９月には東大物理でも、宮本梧楼（原子核実験）、本多侃士（放電実験）、今井功（流体力学）、木原太郎（気体論）の４つの研究室が集まって、「高温プラズマ懇談会」という勉強会が始まりました。 先生も「プラズマ力学」とか称して、プラズマを扱う際の基礎方程式の研究を始められ、私も Spitzer の教科書などで勉強を始めました。
そしてしばらくして、プラズマの理論の基礎についての先生のお考えも纏まってきた頃、『もうそろそろ世界のどこかでプラズマ物理の良い教科書が出来てもいい頃だね』 とおっしゃるようになりました。 その頃はプラズマのことを書いてある本としては H.Alfven : Cosmical Electrodynamics (1950) と L.Spitzer : Physics of Fully Ionized Gases(1956) しかありませんでした。 そこで、その頃刊行されていた「岩波講座 現代物理学」１２巻が一応終わった段階で第２期としてプラズマ・核融合関係のものを出すことになり、「早川幸男・林忠四郎：核融合」と「今井功・桜井明：磁気流体力学」と共に、木原先生もプラズマの教科書を書くことになりました。 それには私も協力する事になり、1958 年の年末には脱稿して翌 1959 年に刊行されました。 ただし、まだ「プラズマ物理学」と称するのはちょっと気が引けて、「木原太郎・水野幸雄：プラズマの物理学」 となりました。 それでもあちこちのグループでプラズマの勉強に大分使ってくれたようです。
そうこうするうちに日本の各地で始まった核融合の研究が次第に組織化され、研究体制の整備が進められました。 先生も 日本学術会議核融合特別委員会 の幹事を勤めるなど、若手教授の一人として嵯峨根、伏見など長老の先生方を助けて大いに尽力なさいました。 そして 名古屋大学プラズマ研究所（現在の核融合科学研究所の前身）の創設に当ってはその設立準備委員会の委員長として研究所の骨格を作り、研究所発足後は運営委員、客員教授などを歴任して研究を推進し、また一方では数多くの人材を育てて供給なさいました。
しかし先生の本領はこのような研究体制にではなく、草創期の日本のプラズマ・核融合研究を物理の立場から推進し、その健全なる発展をお計りになった所にあります。 そして先生ご自身もこの分野で門下生と共に数多くの優れた研究をなさいました。
プラズマの研究に入られた最初に先生はまずはプラズマの力学や熱力学の基礎を固める仕事を進め、それが一段落してからは輻射を扱われたりもしましたが、中でも先生が興味を持たれたのは プラズマ中の輸送現象 の問題で、特に気体論の常套手段である Chapman-Cowling の本の方法では解決出来ない次の２つの問題でした。
１つは 極端強磁場 中のプラズマの輸送現象の問題です。 すなわち Chapman-Cowling の方法は、２つの粒子が衝突している間の運動には磁場の影響がないとして計算しますから、磁場が極端に強くなって電子の旋回半径がデバイの長さより小さくなる場合には使えません。 先生は最も簡単な輸送現象である「イオン・電子間の温度緩和」の問題をモデルケースとして考察を進めました。 そしてまず最初に物理的直感からこのような強磁場では電子の軌道は磁場方向の直線であるとして結果を求めました。 そしてさらに同じ問題をイオンに電子が及ぼす力の相関の形に定式化し、電子が螺旋軌道を描くとして計算して、その結果の強磁場極限での漸近形が先に求めたものと実質的に一致することを示されました。 同様な方法は磁場を横切るプラズマの拡散などの問題にも応用され、似たような結果が得られています。
もう１つは クーロン対数 の問題です。 つまり、分子間力がクーロン力の場合には衝突断面積がそのままでは発散しますので、Chapman-Cowling の方法で求めたプラズマの輸送係数も発散してしまう問題です。 通常は、プラズマ中では一つの荷電粒子の周りには反対符号の荷電粒子が群がってその力を遮蔽するので、有効な距離はデバイの長さ程度になる、として、衝突径数についての積分をデバイの長さで打ち切る「切断」を行って、結果をいわゆるクーロン対数 lnΛが十分に大きいときだけ有効な近似で求めます。 しかし、ここでの切断は 「デバイの長さの程度」 で行うと言うだけで、１ の程度の係数の不確かさがあり、それが結果に １ の程度の量の不確かさをもたらします。 先生はこの人為的切断がご不満でした。 そして衝突径数の小さい所では２体衝突の通常の扱いをし、大きいところではプラズマの誘電性を用いた計算をして、この２つをうまく繋げば、この人為的切断を要しない精密な理論が出来る筈だ、とお考えになり、導体の板の小さな穴を漏れる電磁波の回折の計算などを手本に色々と模索しておられました。
その一日、J.Hubbard から一つの論文のプレプリントが先生の所へ送られてきて、私へ回されました。 それは Fokker-Planck 方程式の係数を求める論文でしたが、私がざっと見た所、はっきりした結果も出ていないごたごたした計算で、意味もよく解らず、忙しさに紛れてそのままにしていました。 所がそれがこの懸案の解決の鍵を含んでいた論文だった訳で、この問題で真剣に悩んでいなかった私には猫に小判だったことになります。 そして丁度その頃にイオン・電子間の温度緩和をプラズマの誘電性による揺らぎから求める理論を作っていた青野修さんが、この論文にヒントを得て、まさに先生の構想を実現する具体的方策を編み出し、この懸案に解決の道を開きました。 引き続いて青野さんと一緒にこの"Unified Theory"の納得のいく定式化を成し遂げた先生は、『これでプラズマ物理の中に物理の本性に迫る問題がなくなった』とお漏らしになっていましたが、それからは次第に興味を宇宙論の問題に移して行かれました。
5. 宇宙論
1967 年頃からは先生は研究の重点を 宇宙論 に移されました。 その始まりは膨張する宇宙の中で物質が局所的に凝集して銀河を作るための条件の問題です。 先生はこれを解くために一般相対論をお一人で勉強され、必要な部分を先生流に組み替え、一般相対論的流体力学を再定式化してから研究に取りかかられました。
なお、先生は勉強のために何かの本を輪講するということを好まれませんでした。 先生は 『必要なことは自分一人で勉強した方が早くよく解る』 との持論をお持ちで、輪講は学生の教育を目的になさる時以外は木原研ではしたことがありません。 これは私が出入りさせて頂いていた今井功先生の研究室とは好対照で、今井研では毎週月曜日午後に必ずしも流体力学関係と限らない本を輪講し、外からの参加者も多数含む全員で議論して楽しんでいました。 そして夏休みには皆で戸隠などに出掛けて合宿し、数日の間、朝から晩まで輪講していました。 超関数論やロシア語も私は今井研で洗礼を受け、後で自分で勉強するときにも敷居を感じないで進むことが出来ました。 こうして私は木原先生と今井先生という互いに異質でともに非常に優れた先生に親しくお教えを受けたことを非常に有難く思っています。
こうして先生は必要な手段を整えて後、研究を進めて、物質の分布が揺らいで局所的に濃くなり、その中心の密度が平均密度の 5.5 倍を越えるとそれが宇宙の膨張を振りきって凝集して銀河を形成する、ということをお示しになられました。 また宇宙における銀河の分布が臨界状態の気体中の分子の分布によく似ていることから星雲の分布状態に興味を持たれ、気体論でおなじみの２体相関関数を導入してその群がり方を研究し、宇宙論の研究に新生面を開かれました。 そしてさらに膨張する宇宙の中で重力で相互作用する銀河の体系を計算機実験して、現在見られる群がり方の特徴がよく再現出来ることを示されました。 これらの世界に先駆けた研究により先生は 1998 年に 東レ科学技術賞 をお受けになりました。
6. 計算機実験
東大を定年退職され、電気通信大学で大学付属図書館長などを歴任して教育に力を注いだ５年間を過ごされた後、先生は明星大学に移られましたが、そこではまた昔の統計力学でのお仕事を思い出され、学生の卒業研究に昔のお仕事を目の当たりに見えるようにする 計算機実験 をさせられました。
昔、私がまだ東大に居ました頃に先生はよく 『僕がしないものが３つある。 それは 自動車運転 と ロシア語 と 計算機 だ』 と言っておられました。
自動車運転 は先生はご自分が乱視気味なのでお避けになっていたとのことです。
そして ロシア語 は丁度その頃盛んになって猫も杓子も勉強を始め、私も今井研究室で ランダウ・リフシッツ の流体力学の原語の教科書を使った輪講に参加したりしていましたが、先生はそのような浮ついた風潮を好まれなかったのではないかと思います。
そして 計算機 は丁度、同じ物理学教室の高橋研究室でメモリーがわずか 256 words というパラメトロン計算機 ＰＣ１ が作られ、金子尚武さんらがこれを駆使して論文を書いておられる頃でしたが、まだプログラムを機械語にごく近い SIP で書かねばならないマニア的な時代でしたから、先生はまだご自分が出る幕ではないと考えられたのでしょう。 明星大学で先生がＣ言語を勉強されて学生に 計算機実験 の指導をなさっている、と伺った時は私は先生の変節かと思いましたが、先生としては、これだけ便利になった計算機を使わない手はない、という当然の行動であられたようです。 そして私はその実験の内容を伺って、なるほど学生の指導はこういう風にすればよいのか、と改めて感心させられました。 この計算機実験の内容と結果は前にもあげたご著書「Ｃによる統計力学」に纏められています。 なお、先生はこの本にさらに１章分の増補の原稿を完成なさっていましたが、ついに増補版が出ることなく終わったのは残念です。
なお、数値計算>に関して言えば、木原先生は数値計算がとても堪能でした。 それは昔の小谷研で鍛えられたということもあったと思いますが、よく手回しのタイガー計算機を回して２重積分ぐらいは気軽に計算なさいました。 そして例えば私が最初に研究の手ほどきを受けた結晶統計の論文でも、高温展開、低温展開の級数から数値を計算してグラフに描く作業は先生が全部なさいました。 他の論文でも同様です。 従って私は先生との共著論文で数値計算をした記憶がありません。 後に卓上の電動計算機が現れたときも、先生はその一番手軽な機種を研究室の予算で買い込み、回して楽しんでおられました。
7. まとめ
こうして先生のあまたのご業績を通観しますと、それらのご研究の背後には何時も明晰な 「物理的イメージ」 >があったことをひしひしと感じます。 そして我々門下生に対しても、何か複雑な計算で結果を出したら必ずその結果を物理の言葉で明晰に説明してみるように、と指導されました。 研究室ではいつも誰かの研究中の問題について物理的イメージの議論が交わされていました。
先生には数多くのご著書がありますが、その特色の一つはご自分でなされた研究とその理解に必要な予備知識以外のことはほとんど何もお書きにならないことです。 上であげた 「分子間力」 も内容はほとんど全部が先生ご自身の研究成果です。 また 「プラズマの物理学」 でも解説に類する前半は当時助手であった水野に任せ、先生はご自分でなされた独自の研究を中心にした後半だけをお書きになりました。 ただ、「分子間力」 と同じ頃に書かれた 「化学物理入門」（岩波全書、978）は 「化学の理論的基礎を主題としながら現代物理を学ぶことが極めて有効であること（同書はしがき）」 を示すという教育的配慮で 「普通の事項」 を書かれていますが、その構成などには先生の物事を充分に咀嚼して自分流に再構成するという特色が遺憾なく発揮されています。 この特色は後の一般向けご著書 「分子と宇宙」（岩波新書、1979) にも貫かれていて、この１冊で分子から宇宙に至る先生独自のお仕事のほぼ全貌を窺い知ることが出来ます。
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以上、思いつくままに先生のお仕事の概観を書いてみました。 これは資料なども手許のものだけを使って、調べも不十分なまま書きましたので、誤りや足りないことも多々あるかと思いますが、ご容赦下さい。 特に宇宙論時代以後の先生には接する機会も少なかったので、その頃をよく知っている方にエピソードなども交えて別に書いて頂けると有難いと思います。 これが少しでも先生を偲ぶよすがになれば幸いです。
(2001-06-01 )