エドワード・ミルズ・パーセル：水素の歌を聞いた物理学者

1945年の12月の午後、ハンダ付けの匂いやレーダー部品が漂うハーバード大学の戦時中の実験棟で、エドワード・ミルズ・パーセル（Edward Mills Purcell）と2人の同僚は、パラフィンのサンプルに無線受信機を向け、磁場の中で反転する原子核の微弱な吸収信号を初めて捉えた。彼らがその信号が本物であると確信するには数週間を要した。それから30年後、医療においてMRIスキャナーへと転換されることになる。

農業地帯のエンジニア、物理学と出会う

パーセルは1912年8月30日、イリノイ州テイラービルで、エドワード・A・パーセルとメアリー・エリザベス・ミルズの間に生まれ、同地と近くのマトゥーンの公立学校に通って育った。パーデュー大学に入学し、電気工学を志して1933年に卒業したが、K・ラーク＝ホロヴィッツ教授の下での電子回折研究の学部生としての活動が、彼を物理学の道へと方向転換させた。ドイツのカールスルーエ工科大学（Technische Hochschule Karlsruhe）でW・ヴァイツェル教授の下で学んだ交換留学生としての1年は、その関心をさらに深めた。米国に戻りハーバード大学で大学院研究を行い、1938年に博士号を取得。第二次世界大戦によって同世代のほぼすべての物理学者がそうであったようにキャリアが再編されるまで、物理学の指導者として短期間滞在した。

MITのレーダー開発

1940年、パーセルは連合国の戦争努力のためにマイクロ波レーダーを構築する緊急計画であるMIT放射線研究所に加わり、その基礎開発グループを率いるようになった。この仕事は、I・I・ラービ（I. I. Rabi）ら、電波法によって分子・核特性を研究する物理学者たちと肩を並べる経験となり、戦後の自身の発見に不可欠となるマイクロ波エレクトロニクスをパーセルに習得させた。レーダー研究は、ある意味で共鳴の計装に関する5年間の見習い修行であったが、プロジェクトの誰も医学的画像診断については考えていなかった。

核磁気共鳴の発見

戦後、ハーバード大学に准教授として復帰したパーセルは、ロバート・パウンドおよびヘンリー・トーリーと協力し、バルク物質における核磁気共鳴吸収の検出に取り組んだ。これは、磁場中の原子核が、その化学的局所環境に依存する周波数で無線周波数エネルギーを吸収・再放射するという現象である。スタンフォード大学のフェリックス・ブロック（Felix Bloch）と彼のグループは、異なる検出方法を用いて独立かつほぼ同時に同じ効果を発見しており、両チームは「核磁気精密測定法の開発およびそれに関連する発見」により、1952年のノーベル物理学賞を共同受賞した。ノーベル委員会の言葉は簡潔だったが、その結果はそうではなかった。核磁気共鳴（NMR）は化学者に分子構造を読み取る正確で非破壊的な方法を与え、数十年後には磁気共鳴画像法（MRI）の物理的基礎となり、医師がメスやX線を使うことなく生体内部を見ることを可能にした。パーセル自身はすぐにスピンエコー緩和、核磁気緩和時間、そして後にレーザー理論に関連することが判明する負のスピン温度という奇妙だが実在する概念など、この現象のより微妙な側面に目を向けた。

銀河の声を聞く

パーセルの科学的好奇心は研究室のベンチにとどまらなかった。彼は、銀河系全体に散らばる中性水素原子からの21センチメートル電波放射線の検出を予言し、それを確認する一助となった。その信号は非常に微弱であり、発見にはNMRを生み出したのと同じ共鳴技術を天文学的距離にまで拡張する必要があった。21センチメートルの波長線により、天文学者は天の川の螺旋構造を初めてマッピングすることができ、実質的に電波天文学を体系的な学問分野として確立させた。これは、1人の物理学者の実験室技術が、医療と宇宙論の両方を1つのキャリアの中で再構築した稀なケースである。

教授、教科書著者、大統領顧問

ハーバードに戻ったパーセルは、1949年に正教授に昇進し、最終的にはゲルハルト・ガデ大学教授の称号を得た。アメリカ物理学会会長を務め、全米科学アカデミーおよびアメリカ芸術科学アカデミーに所属した。彼の科学的地位は政府の任務へとつながり、1957年以降はドワイト・アイゼンハワーの下で大統領科学諮問委員会に名を連ね、ジョン・F・ケネディやリンドン・ジョンソンにも助言を行い、冷戦時代にワシントンへ招集された物理学者・政治家の世代の一員となった。また、自身の発見をはるかに超えて物理学教育に足跡を残し、NSFの資金提供を受けたスプートニク時代のプロジェクトであるバークレー物理学コースの一部として教科書『Electricity and Magnetism（電磁気学）』を執筆した。これは特殊相対性理論を電磁気学の提示に直接織り込んだことで注目され、物理教師たちから今もなお称賛されている教育的選択であった。1976年の広く引用される講義「Life at Low Reynolds Number（低レイノルズ数における生命）」でも知られており、細菌のような顕微鏡スケールでの水泳が人間スケールでの水泳とは全く異なる物理法則に従う理由を驚くべき明快さで説明し、粘性流体中の往復運動に関するいわゆる「ホタテ貝の定理（scallop theorem）」を導入した。1967年のエルステッド・メダル、1979年のアメリカ国家科学賞など、後年の栄誉も数多い。

エドワードが天才と呼ばれる理由

パーセルを天才と呼ぶ論拠は、単一のひらめきよりも、全く異なるスケールにわたって適用された楽器製作の直感の稀な一貫性にある。無線波で核スピンを励起し、返ってくる微弱な信号を読み取るという同じ手法で、彼は化学的・医学的な直接の報酬をもたらす実験室の現象を見つけ出し、数年後には銀河系全体に散らばる水素原子からの囁きを検出した。同僚や後世の科学史家たちは、その範囲と、難しい物理学を平易な言葉で説明する能力を、単なる技術的才能ではなく、並外れて深い物理的直感の証として指摘してきた。誠実な反論としては、パーセルはNMRを一人で、あるいは孤立して発見したわけではないということである。フェリックス・ブロックのチームは異なる方法を用いて数週間以内に独立して同じ物理学に到達しており、パーセルはMIT放射線研究所の何百人ものエンジニアが開発した戦時中のレーダーエレクトロニクスを直接利用していた。彼の天才性があったとすれば、それは、慣れ親しんだレーダーハードウェアが物質の見えない内部について何を明らかにし得るかを認識した点、そして、その発見を教科書や講義で、次世代の物理学者の常識となるほど明快に説明した点にある。

遺産

パーセルは1997年3月7日、マサチューセッツ州ケンブリッジで84歳で死去した。彼が改造されたレーダー研究所で発見に貢献した技術は、現在世界中の病院のMRI室や化学科に設置されており、彼が先駆けた空のマッピング方法は電波天文学の作業ツールとして今も活用されている。これは、1人の物理学者の洞察が医学と宇宙論を同時に再構築した稀な例である。