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ジョン・ミッチェル（/ ˈ m ɪ tʃ əl /、1724年12月25日 - 1793年4月21日）は、天文学、地質学、光学、重力など幅広い科学分野に先駆的な洞察を提供したイギリスの自然哲学者であり聖職者であった。彼はブラックホールに匹敵する恒星の存在を最初に提唱し[ 1 ] 、天文学に統計学を初めて適用し、連星や星団の物理的性質に関する最も初期の証拠を提供した。
彼は地震が（地震波として）伝わることを最初に提唱し、また1755年のリスボン地震の地震波速度を初めて測定した人物である。さらにミッチェルは地球の質量を測定する装置を発明し、後にヘンリー・キャベンディッシュが重力定数を測定するためにこの装置を使用した。彼はまた人工磁石の製造方法を説明し、磁力の法則に関する最初の正確かつ包括的な記述を提供した。その結果、彼は地震学と磁気測定学の両方の父と呼ばれている。
ミッチェルは1762年からケンブリッジ大学のウッドワーディアン地質学教授を務めた。1760年には王立協会のフェローに選出された。 [ 2 ]
ジョン・ミッチェルは、1724 年にノッティンガムシャーのイークリングで、司祭のギルバート・ミッチェルとオビディエンス・ジェラードの息子として生まれた。ギルバートは、コーンウォールのケンウィンのウィリアム・ミッチェルとメアリー・テイラーの息子であり、オビディエンスはロンドンのラルフとハンナ・ジェラードの娘であった。[ 3 ]彼はケンブリッジのクイーンズ・カレッジで教育を受け、後にクイーンズ・カレッジのフェローとなった。一家はコーンウォール出身であった。彼は1752 年に修士号、1761 年に神学士号を取得した。 [ 4 ]彼は 1751 年から 1763 年まで同カレッジのチューターを務め、 1751 年に算術の講師、1752 年に神学の検閲官、1753 年に幾何学の講師、1755 年と 1759 年にギリシャ語の講師を務めた。 1756年に上級会計係、1759年と1762年にヘブライ語の講師、1760年に哲学の検閲官と試験官を務めた。「1760年3月28日にケンブリッジのセント・ボトルフの教区牧師に任命され、1763年6月までその職を務めた。」[ 5 ] 1762年から1764年まで、ウッドワーディアン地質学講座の教授を務めたが、結婚のため辞任せざるを得なかった。[ 6 ]
ミッチェルの肖像画は残っていない。彼は「背が低く、肌の色が黒く、太っていたが、面識がないので、彼について多くを語ることはできない。ケンブリッジのセント・ボトルフ教会の世話をしながら、クイーンズ・カレッジのフェローを務めていたと思う。そこで彼は非常に独創的な人物であり、優れた哲学者として評価されていた。彼はそのようにして、磁石と電気に関するいくつかの著作を発表した。」[ 7 ] [ 8 ]
1910年、サー・エドマンド・ウィテカーは、アイザック・ニュートンの死後1世紀の間、「ケンブリッジに住み、教鞭を執った唯一の傑出した自然哲学者はミッチェルであった」と述べているが、「彼の研究は、彼の発見が他人に帰せられることを黙認し、ケンブリッジの伝統から彼の名前が完全に消え去るのを許した同時代の同僚や後継者たちの間でほとんど、あるいは全く注目されなかったようだ」。ミッチェルはその後、ハンプシャー州のコンプトン、そしてハヴァントで聖職に就いた。この間、彼はケンブリッジや王室天文官の職を求めたが、いずれも不成功に終わった。[ 9 ] [ 10 ]
1767年、彼はイングランド、ヨークシャー州リーズ近郊のソーンヒルにある聖ミカエル教会の牧師に任命され、生涯その職を務めた。彼はソーンヒルで重要な科学的研究のほとんどを行い、1793年4月21日に68歳で亡くなった。彼はそこに埋葬されている。[ 11 ] [ 8 ] [ 12 ]地元の圧力により、彼を記念する青い銘板が教会の壁に設置された。
1750年、ミッチェルはケンブリッジで「人工磁石に関する論文」と題する約80ページの著作を出版し、その中で最高の天然磁石よりも優れた磁石を簡単かつ迅速に製造する方法を紹介した。現在も彼の名が冠されている磁化方法の説明に加え、この著作には磁気に関するさまざまな正確な観察が含まれており、磁気誘導の性質を明快に解説している。[ 13 ]
ある時、ミッチェルは方位磁針の針の片面に太陽光を集中させることで、光の放射圧を測定しようと試みた。しかし、この実験は成功せず、針は溶けてしまった。
20世紀後半まで、ミッチェルは主に地質学の研究で重要視されていました。1755年のリスボン地震後に書かれた彼の最も重要な地質学論文は、 「地震の原因に関する推測と現象に関する観察」（Philosophical Transactions、li. 1760）と題されています。[ 13 ]この論文で彼は、地震は地球を波のように伝播し、現在断層として知られる地層のずれを伴うという考えを提唱しました。彼はリスボン地震の震源と震源の両方を推定することができ、津波は海底地震によって引き起こされると最初に示唆した人物である可能性もあります。[ 14 ]彼は地震の速度を最初に計算した人物です。[ 15 ]
ミッチェルの論文は地震に関する洞察を提供するだけでなく、より広く言えば、地球の地殻の地質学の理解の進歩をも示していた。彼は地球が「規則的で均質な層」で構成されており、その一部が地殻変動によって中断されていることを認識していた。ある評論家によれば、「ミッチェルの地震論文で最も重要な部分は、現在『地球の地殻』として知られているものについての記述である」[ 16 ]。イングランドおよび海外のさまざまな地域の地質層に関する驚くべき知識を示し[ 14 ] 、彼は自身の観察に基づいて堆積層序の理解を進歩させ、英国で初めて中生代の層序を定義した[ 14 ] [ 17 ]。
1760年、この業績により、彼は王立協会の会員に選出された。[ 14 ]
1788年にヘンリー・キャベンディッシュに宛てた手紙には、ミッチェルが地震に関する論文を発表してから数十年後も地質学に興味を持ち続けていたことが記されている。[ 18 ]
ミッチェルは磁気を研究し、磁石の各極が及ぼす磁力は逆二乗法則に従って減少する、つまりそれらの間の距離の二乗に比例することを発見した。[ 14 ]船員や計器製作者向けに書かれ、磁石の作り方に関する実用的なマニュアルとして意図された彼の1750年の論文「人工磁石に関する論文」には、磁気の理解に大きく貢献した「磁性体の性質」のリストが含まれていた。 [ 10 ]彼の論文は、磁力の法則に関する最初の正確かつ包括的な記述を提供した。[ 19 ]
ミッチェルは地球の質量を測定するためのねじり天秤を考案したが、それを使用する前に亡くなった。彼の装置は生涯の友人であるヘンリー・キャベンディッシュの手に渡り、キャベンディッシュは1798年に現在キャベンディッシュの実験として知られる実験を初めて行った。彼は6フィートの棒の両端に1kgの鉛球を2つ置き、棒の中央に取り付けられた繊維で棒を水平に吊り下げた。次に、それぞれの小さな鉛球の横に巨大な鉛球を置くと、重力によって棒が時計回りに回転した。キャベンディッシュは棒の動きを測定することで、それぞれの大きな鉛球が1kgの鉛球に及ぼす力を計算することができた。これらの計算から、彼は地球の重力定数と質量および平均密度の正確な推定値を提供することができた。キャベンディッシュはミッチェルの功績を全面的に認めた。[ 12 ] [ 14 ]
1987年、重力研究者のAHクックは次のように書いた。
重力実験やその他の精密測定における最も重要な進歩は、ミッチェルによるねじり天秤の導入とキャベンディッシュによるその使用であった。それ以来、それは重力に関する最も重要な実験の基礎となっている。[ 20 ]
ミッチェルは、星の研究に統計学の新しい数学を初めて応用した人物であり、[ 2 ] 1767年の論文で、完全なランダム分布では説明できないほど多くの星がペアまたはグループで存在することを実証しました。彼はプレアデス星団に調査を集中させ、そのような密集した星のグループが見つかる確率は約50万分の1であると計算しました。彼は、これらの二重星系または多重星系の星は重力によって互いに引き寄せられている可能性があると結論付け、連星と星団の存在の最初の証拠を提供しました。[ 11 ] [ 12 ] [ 14 ]彼の二重星に関する研究は、友人のウィリアム・ハーシェルの同じテーマの研究に影響を与えた可能性があります。[ 21 ]
ミッチェルの統計的研究のもう一つの帰結は、恒星の光度を一定と仮定することが不適切な近似であることが明らかになったことである。ハーシェルはこの近似と多数の恒星の方向を用いて天の川銀河のモデルを構築していた。形状は正しかったものの、モデルの様々な付属部分は正しくなかった。光度が変動するということは、銀河の端に関する証拠が疑わしいことを意味し、ハーシェルは自身のモデルへの信頼を失った。[ 22 ]： 6
1783年11月27日に発表されたロンドン王立協会の『哲学紀要』に掲載された論文で、ミッチェルはブラックホールに似た天体の存在を初めて提唱した。[ 23 ]光は微小な粒子から構成されているとするニュートンの粒子説を受け入れた彼は、そのような粒子が星から放出されると、星の重力によって減速され、したがって速度の低下に基づいて星の質量を決定できる可能性があると考えた。この洞察は、星の重力が非常に強く、脱出速度が光速を超える可能性があるという認識につながった。ミッチェルは、太陽の500倍以上の大きさの星ではこれが当てはまると計算した。光はそのような星から脱出できないため、目に見えないことになる。彼自身の言葉によれば、
もし自然界に、密度が太陽の密度以上で、直径が太陽の直径の500倍を超える天体が実際に存在するとすれば、その光は私たちに届かないため、あるいは、自然には発光しない、やや小さいサイズの他の天体が存在するとすれば、これらの状況下では、私たちは目視によってその存在を知ることはできません。しかし、もし他の発光体がそれらの周りを回転しているとすれば、回転する天体の動きから、中心の天体の存在をある程度の確率で推測できるかもしれません。これは、回転する天体の見かけ上の不規則性のいくつかに対する手がかりとなり、他の仮説では容易に説明できないからです。しかし、このような仮定の結果は非常に明白であり、それらを考察することは私の現在の目的からやや外れているため、これ以上は論じません。
—ジョン・ミッチェル、1784年[ 24 ]
ミッチェルは、宇宙にはそのような天体が多数存在する可能性があると示唆し、今日では天文学者たちは、ブラックホールがほとんどの銀河の中心に実際に存在すると考えている。[ 11 ]同様に、ミッチェルは、重力的に2つの星のように振る舞うが、見える星が1つしかない星系を探すことで、天文学者たちがブラックホールを検出できると提案した。ミッチェルは、これは光が逃げ出していない星の存在を示すと主張した。これは非常に正確な予測だった。私たちの銀河（天の川銀河）にある12個の候補恒星ブラックホールはすべて、 X線コンパクト連星系にある。[ 25 ]
ミッチェルの重力と光に関する考えはウィリアム・ハーシェルの興味を引き、彼は自身の強力な望遠鏡でそれを検証しようとした。[ 23 ]ミッチェルが目に見えない光を閉じ込める星の概念を思いついてから数年後、フランスの数学者ピエール＝シモン・ラプラスは、1796年の著書『世界の体系の解説』の中で、ほぼ同じ考えを提唱した。[ 11 ]
ミッチェルはブラックホールに関して時代をはるかに先取りしていたため、その考えは同時代の人々に「ほとんど影響を与えなかった」と書かれている。[ 11 ] [ 14 ]アメリカ物理学会は「彼はひっそりと忘れ去られて亡くなり、彼の『ダークスター』の概念は1970年代に彼の著作が再び注目されるまで忘れ去られていた」と述べている。[ 11 ]
ミッチェルは自分のために望遠鏡を製作した。そのうちの1つ、焦点距離10フィート、口径30インチの反射望遠鏡は、ミッチェルの死後、著名な天文学者ウィリアム・ハーシェルによって購入された。二人は多くの共通の趣味を持ち、少なくとも2回手紙をやり取りしたが、実際に会ったことを示す記録は1つしかない。ハーシェルは1792年にその地域を訪れた際にミッチェルの望遠鏡を見学したと記録している。ミッチェルはすでに体が弱っており、望遠鏡も壊れていた。ハーシェルは翌年、30ポンドでその望遠鏡を購入した。[ 26 ]
ミッチェルは測量に関する論文も執筆しており、伝記作家はそれを理論的に「優雅」だと評している。ミッチェルは王立協会の会員に選出された。彼は1751年に、後に後援者となるジョージ・サヴィル卿の招待で初めて王立協会の会合に出席した。その後、ケンブリッジ在学中は「年に1～4回」会合に出席した。地震の原因に関する彼の論文は、1760年2月28日から始まった協会で朗読され、サヴィルともう一人の会員がミッチェルを協会に招待するよう推薦した。彼は1760年6月12日に会員に選出された。[ 27 ]ミッチェルは地震学の研究に続いて天文学の研究を行い、1767年に研究結果を発表した後、王立協会の天文学委員会に所属した。[ 28 ]
近年、ミッチェルは、1784年に発表された、重力が光に及ぼす影響に関するキャベンディッシュ宛の手紙で知られるようになった。この論文は1970年代に再発見され、20世紀の革新と考えられていたいくつかの天文学的アイデアを先取りしていたものとして現在では認識されている。ミッチェルは、光が脱出できないほど質量のある天体（脱出速度の概念は当時よく知られていた）の事例を初めて研究した人物として評価されている。このような天体は、しばしば暗黒星と呼ばれ、直接目には見えないが、連星系の一部であれば伴星の動きによって識別できる。光が物質の粒子のように振る舞うと仮定した場合の古典的な脱出最小半径は、一般相対性理論におけるシュワルツシルト半径と数値的に等しい。ミッチェルはまた、現在重力赤方偏移として知られる、光源の表面重力による星光の重力による減衰を測定するためにプリズムを使用することを提案した。ミッチェルは、これらのアイデアの中には当時技術的に実用的ではないものもあったと認めつつも、将来の世代にとって役立つことを願っていると記した。ミッチェルの論文が約2世紀後に再発見された頃には、これらのアイデアはすでに他の人々によって再発明されていた。
ミッチェルは「宗教的信念において幅広い自由度を持つ」人物であった。[ 29 ]同時代の人物は彼を「小柄で背が低く、肌の色が黒く、太っている」と評し、「非常に独創的な人物であり、優れた哲学者」とみなしていた。ソーンヒルでの数年間、彼はベンジャミン・フランクリン、ジョセフ・プリーストリー、ヤン・インゲンホウス、ヘンリー・キャベンディッシュ（水素の発見者）などの訪問者を歓迎した。[ 11 ]ミッチェルは1767年にフランクリンに手紙を書き、ソーンヒルへの最初の訪問について、「私が移り住むつもりだとあなたに話した場所」と述べている。[ 30 ]
プリーストリーはしばらくの間、近くのバースタルに住んでいた。プリーストリーとインゲンホウスが初めて会ったのは、教会の向かいにあるミッチェルの牧師館だった。同じ会合でジョン・スミートンはベンジャミン・フランクリンに紹介され、二人はスミートンが近くに建設を終えたばかりの運河を一緒に見学した。[ 31 ]ミッチェルはまた、スミートンがエディストーン灯台に関する著書を改訂するのを手伝った。[ 32 ]
ミッチェルの最初の妻は、ルーク・ウィリアムソンとサットン・ホームズの娘で「かなりの財産を持つ若い女性」であったサラ・ウィリアムソン（1727年 - 1765年）で、1764年に結婚したが、残念ながらわずか1年後の1765年に亡くなった。[ 33 ] 1773年2月13日、ノッティンガムシャー州ニューアークで、ノッティンガムシャー州のマシューとアン・ブレックノックの娘であるアン・ブレックノック（1736年 - 1805年）と結婚した。[ 34 ]彼らにはメアリーという娘が一人おり、バークシャー州キングストン・ライルのウィリアム・タートン卿とハートフォードシャー州ハートフォードのジェーン・クラークの息子であるリーズのサー・トーマス・タートンと結婚した。[ 35 ]
ミッチェルの弟ギルバートはロンドンで商人として働いており、後にソーンヒルでミッチェルと同居し、兄弟二人は地元の不動産事業に積極的に関わり、ヨークシャー州ウェストライディングで多くの不動産を購入した。[ 36 ]
ミッチェルは「史上最も偉大な、しかし知られていない科学者」の一人と呼ばれている。[ 37 ]アメリカ物理学会（APS）は、ミッチェルを「同時代の科学者たちをはるかに先取りしていたため、彼のアイデアは1世紀以上経ってから再発見されるまで、埋もれたままだった」と評した。同協会は、「彼は同時代で最も聡明で独創的な科学者の一人であったが、画期的なアイデアを発展させ、広めるためにほとんど努力しなかったため、今日ではほとんど知られていない」と述べている。[ 11 ]別の科学ジャーナリストによると、「ミッチェルの研究のいくつかの具体的な内容は、まるで20世紀の天文学の教科書から抜き出したように聞こえる」という。[ 38 ]
ミッチェルは、おそらく「18世紀のイギリスの自然哲学者の中で最も幅広い能力を持っていた人物」と評されている。実験と観察、数学理論、そして機器のいずれにも等しく熟練しており、彼の研究分野は宇宙であった。[ 39 ]
ミッチェルは、ラッセル・マコーマック著『世界の重さを量る：ソーンヒルのジョン・ミッチェル牧師』（2012年）の主題となっている。[ 40 ]