こんにちは、さいろじ研究所のさいろじくんだよ。この連載では、みんなが名前だけは知っている世界遺産の、技術のしくみを一つずつ見ていくんだ。第1回のテーマは古代西洋。ギザのピラミッドと、ローマの建物たちを取り上げるよ。全体の地図が見たくなったら連載の総論ページに戻ってきてね。
結論:巨大建築を読み解く2つの軸——巨石の扱いと材料の化学
ピラミッドは「重い石のかたまりをどう運び、どう積んだか」という力学と物流の問題で、ローマの建物は「材料そのものを化学反応で強くする」という材料科学の問題だよ。この2つの軸を分けて見ると、古代の巨大建築がぐっと分かりやすくなるんだ。
ピラミッドについては、石をどこまで運んだかは近年ずいぶん分かってきた。いっぽう、その石をどうやって高く積み上げたかは今も未解決で、いくつもの説が議論されているんだ。
ローマのほうは逆に、最近の材料科学の研究で「なぜ2000年ももつのか」がかなり見えてきた。しかもその強さの秘密は、1つの理由ではなく、いくつかの別々の仕組みが重なった結果なんだ。海の中で新しい鉱物が育つ話と、ひび割れが自分で塞がる話は、別々の現象だよ。それじゃあ、順番に見ていこう!
本論①:ギザのピラミッド——解明が進む運搬と、謎の残る積み方
まずはピラミッドから。クフ王の大ピラミッドを筆頭に、ギザには第4王朝(だいたい今から4500年ほど前)の巨大な石の山が並んでいるよね。使われている石は、平均で1個2.5トンくらいの石灰岩。王の間まわりには数十トン級の花崗岩(かこうがん。硬い火成岩だよ)も使われているんだ。この途方もない量の石を、当時の人たちはどうやって現場まで運んだんだろう。ここに、最近すごく面白い研究が出たんだ。
埋もれていた「もう一本のナイル」の発見
2024年、Communications Earth & Environmentという学術誌に載った研究(Ghoneim ほか, 2024)が、今は消えてしまった昔のナイル川の支流を見つけたんだ。その名も「アフラマート支流」。アフラマートっていうのはアラビア語で「ピラミッド」という意味なんだよ。全長はおよそ64キロ。今は砂漠や農地の下にすっかり埋もれているんだけど、ギザをふくむ主要なピラミッド群が、この消えた水路に沿って一列に並んでいたことが分かったんだ。
どうやって「見えない川」を見つけたと思う?研究チームは、上空から地面の下まで透かして見るレーダー衛星の画像に、地面に穴を開けて土を抜き取る「地中コア」の調査と、地面の電気や磁気の性質を測る地球物理探査を組み合わせたんだ。地面に埋もれた昔の川底は、まわりの土と性質が違う。その微妙な違いを何種類もの方法で読み取って、消えた水路の跡を復元したんだよ。同じ論文によると、31基もの建造物がこの水路沿いに位置していたという。これは、水路が機能していた時期に建設が集中したと考えるのが自然だよね。
この「見えないものを物証から読む」やり方、実はこの連載のあちこちで出てくる科学の基本姿勢なんだ。以前に南極の話を書いたときも、深く掘った氷の柱から過去の空気を読み取る技術を紹介したよね。目の前に無いものを、残された痕跡から復元する。ピラミッドの水路も、まさにその発想で見つかったんだ。
船運を記録した一次資料「メレルの日誌」
水路があっただけじゃなくて、実際にそこを船が行き来していた証拠もあるんだ。それが、現存する世界最古のパピルス文書のひとつ「メレルの日誌」だよ。紅海沿いのワディ・アル=ジャルフは、エジプト学者タレ(Tallet)のチームが発掘した場所で、その様子を伝えた記事(Stille, 2015)によると、この日誌にはメレルという監督官が約200人の班を率いて働いた様子が書かれているんだ。書かれた時期はクフ王の治世26年ごろ。
何を運んでいたかというと、ピラミッドの表面を覆う上質な化粧石、トゥーラ産の白い石灰岩だよ。トゥーラの採石場からギザまで、船で片道およそ2日。10日で1週間とする当時の暦で、2〜3往復していた記録が残っているんだ。つまり「石を船で水運した」というのは、想像じゃなくて一次文書で裏づけられた事実なんだよ。
ただし、メレルの日誌が直接書いているのは、あくまで表面の化粧石の運搬なんだ。ピラミッド本体の芯にあたる、現地で採れた粗い石灰岩まで全部を船で運んだ、という証拠ではないんだよ。だから「水運は確かにあった」とは言えるけれど、「すべての石を船で運んだ」とまでは言えないんだ。
建設の担い手——奴隷ではなく組織化された労働者
ピラミッドというと「奴隷がムチで打たれながら造った」というイメージを持つ人がいるかもしれない。この見方はもともと古代ギリシャの歴史家ヘロドトスの記述に由来するんだけど、今の考古学ではこれは支持されていないんだ。
レーナーとハワスの発掘(Shaw による取材記事, 2003)によると、ギザで第4王朝の労働者集落が見つかっているんだ。そこには大量のパンを焼く施設や、働く人たちの住まいがあった。しかも面白いのは、石に残された作業班の落書きでね。「クフの友」とか「メンカウラーの酔っぱらい」みたいな、班ごとのチーム名(ガングと呼ばれる作業単位だよ)が書かれていたんだ。まるでスポーツチームみたいでしょ。きちんと食事を用意され、チーム名を持って誇りを持って働く、組織化された労働者・熟練工の姿が物証から浮かんでくる。奴隷労働という古いイメージとは、だいぶ違うよね。
働いた人数については「延べ数万人規模」といった推計があるんだ。でも「奴隷ではなかった」という点は、集落や食料供給の仕組み、そして作業班の落書きという具体的な物証に支えられた、かなり確かな話なんだよ。
方位と水平の驚くべき精度
ピラミッドで僕がいつも唸ってしまうのが、その正確さなんだ。大ピラミッドの四辺は、真北からほんのわずかしかずれていない。測量にもとづく研究(Nell & Ruggles, 2013)によると、そのずれは真北からおよそ数分角のオーダー。分角というのは角度の単位で、1度をさらに60等分した細かさだよ。しかも3基の主要なピラミッドが、そろって少しだけ同じ向き(反時計回り)にずれているという共通の癖を持っているんだ。同じやり方で方位を出した証拠と考えられている。
水平の精度もすごい。基底面はおよそ5.3ヘクタールという広さがあるのに、その全体で高さのばらつきが数センチ以内におさまっているんだ。サッカー場より広い面を、数センチの誤差で水平に均したことになる。
ただ、「これほどの精度を、どうやって出したのか」は、まだ決着していないんだ。北を求める方法については、夜空で北の空をぐるぐる回る星(周極星)の位置を使ったという説や、春分の日の太陽の影を使ったという説などが出ているけれど、どれが正解かは確定していないんだよ。
最大の謎——巨石の積み上げ方法
さて、いよいよピラミッドいちばんの謎だよ。ここまでで「石を水路と船で現場の近くまで運んだ」ことは、かなり分かってきたよね。でも、運んできた重い石をどうやって数十メートルの高さまで持ち上げて、正確な位置に据えたのか——これは、実は今も決定的な答えが無いんだ。
候補になっている説はいくつもあるよ。まっすぐ長いスロープ(直線ランプ)を築いて引き上げたという説、ピラミッドの外側をらせん状に巻くスロープ(らせんランプ)を使ったという説、内部に通路状のスロープを作ったという説、てこ(レバー)で一段ずつ持ち上げたという説。どれも、なるほどと思わせるところがあるんだ。でも同時に、どの説にも弱点がある。たとえば直線ランプは、頂上まで届かせようとすると長さが1.5キロ級になってしまい、そんな用地を確保するのは無理だという指摘があるんだよ。
「現場までの運搬」が近年の研究(Ghoneim ほか, 2024や、前掲のTallet; Stille, 2015)で進んだこと」と、「現場での積み上げ方が未解明なこと」は、まったく別の話なんだ。水路が見つかったからといって、積み方の謎まで解けたわけじゃないんだよ。
本論②:ローマン・コンクリート——2000年崩れない理由
ピラミッドが「石をどう扱うか」の技術だったのに対して、ローマ人が武器にしたのは、まったく別の発想だったんだ。それが「材料そのものを化学反応で作り、しかも時間とともに強くする」コンクリートだよ。ローマのコンクリートはオプス・カエメンティキウムと呼ばれていて、現代のコンクリートが数十年から百年ほどで傷んでくるのに、2000年前のものが今も立っている。この差はどこから来るんだろう。
基礎となる技術——水中でも固まる性質
ローマン・コンクリートの土台になっているのが、火山灰を使った配合なんだ。ナポリ近郊のポッツォーリという土地でとれる火山灰「ポッツォラーナ」に、焼いた石灰を混ぜると、水の中でもかたく固まる性質が生まれる。これを「水硬性(すいこうせい)」と言うよ。水にさらされても固まる、むしろ水があることで固まる、という性質だね。ふつうに考えると水は建材の敵なんだけど、火山灰と石灰の組み合わせは、水を味方につけてしまうんだ。この性質のおかげで、ローマ人は港や水中の基礎みたいな、水びたしの場所にもコンクリートを打てるようになったんだよ。
秘密その1:海水中で育つ新しい鉱物
ここからが、なぜ2000年ももつのかという核心だよ。まず海の中の話から。港湾に使われたローマの海水コンクリートを調べた研究(Jackson ほか, 2017)が、驚くべきことを見つけたんだ。
ふつうの材料なら、海水に長年さらされると少しずつ傷んでいくよね。ところがローマの海水コンクリートは逆で、海水と火山灰の成分が長い時間をかけてゆっくり反応して、コンクリートの中に新しい鉱物が生まれていたんだ。その鉱物が「アルミニウムを含んだトバモライト」(専門的にはAl-トバモライトと呼ばれる結晶だよ)や「フィリップサイト」というもの。これらが、材料のすき間を埋めるセメントのように働いて、コンクリートを内側から締めていく。しかも常温の海水の中で、何百年もかけてゆっくり育つんだ。つまり、時間が経つほど強くなる方向に働いたんだよ。
ただし、これは海水にさらされる海のコンクリートの話なんだ。現代の鉄筋コンクリートは、海水につかると中の鉄筋が錆びてふくらんで、逆にコンクリートを壊してしまう(塩害だよ)。ローマのが海水で強くなったのは、鉄筋が入っていない「無筋」だったことと、火山灰の化学のおかげ。だから「海水につければ何でも強くなる」という話じゃないんだ。あくまでローマ独特の材料での現象だよ。
秘密その2:ひび割れの自己修復
もう1つの秘密は、海とは別の、まったく違う仕組みなんだ。2023年にMITなどのチームが発表した研究(Seymour ほか, 2023)が、ローマン・コンクリートの中によく見つかる白い小さな塊「石灰クラスト」の正体を突きとめたんだ。
これまで、この白い塊は「混ぜ方が雑で石灰が混ざりきらなかった失敗の跡」だと思われていた。ところが研究チームは、そうではなく、わざと反応の激しい生石灰(酸化カルシウム)を使って高い温度で混ぜる「ホットミキシング」という技法の産物だと示したんだ。生石灰は水と出会うと発熱しながら激しく反応する材料でね、これを使うと混合中に高温になって、あの白い塊が残る。
この白い塊が、実はすごい役目を持っていた。コンクリートにひびが入って、そこに水がしみ込むと、白い塊がカルシウムをたっぷり溶かし出す。すると、そのカルシウムがひびの中で方解石(カルサイト。石灰岩の主成分と同じ鉱物だよ)として結晶になって、ひびを内側から埋めてしまうんだ。つまり傷ができても、水が届けば自分で塞がる「自己修復」が起きるんだよ。
研究チームはこれを実験で確かめている。わざとひびを入れたコンクリートの試料に水を流したところ、生石灰を使った試料は約2週間でひびが塞がって水が止まった。一方、生石灰を使わなかった比較用の試料は、修復されなかったんだ。使われた試料はイタリアのプリヴェルヌムという遺跡のもの。ここまで来ると、ローマ人が偶然すごいものを作ったのか、それとも経験的にこの効果を知っていたのか、想像がふくらむよね。
もう一度整理すると、ローマン・コンクリートが長もちする理由は、少なくとも2つの別々の仕組みがあるんだ。1つは海水と火山灰でゆっくり新しい鉱物が育つこと(Jackson ほか, 2017)。もう1つは石灰クラストによるひびの自己修復(Seymour ほか, 2023)。前者は主に海のコンクリート、後者は陸のコンクリートで働く現象で、舞台も仕組みも違うんだ。
パンテオン——鉄筋なしで1900年立つドーム
ローマン・コンクリートの底力がいちばん分かるのが、ローマのパンテオン(126年ごろ完成)だよ。この建物のドームは、なんと鉄筋がまったく入っていない無筋コンクリート製なんだ。それでいて、内側の直径も、床から天井のてっぺんまでの高さも、どちらもおよそ43メートル。ちょうどドームの中にすっぽり球が1つ入る形になっているんだ。頂上には直径約9メートルの丸い天窓「オクルス」がぽっかり開いていて、ここから光が差し込む。無筋コンクリートのドームとしては、今なお世界最大とされているんだよ(Masi ほか, 2018;Lancaster, 2005)。
現代の常識だと、大きな屋根をかけるには鉄筋や鉄骨で引っぱりに耐えさせるのが当たり前だよね。パンテオンはそれと真逆で、鉄の補強なしに1900年近く立っている。どうやって成り立たせているんだろう。答えは、徹底した「軽量化の設計」にあるんだ。
まず、ドームの厚みが上に行くほど薄くなっている。根元では約6メートルもあるのに、天窓に近い頂部では約2.3メートルまで薄くなる。さらに、コンクリートに混ぜる骨材(石のかけら)も、下と上で変えているんだ。ドームの根元には重い凝灰岩やトラバーチンという石を使い、上に行くほど軽石やスコリアといった軽い火山性の石に切り替えている。高いところほど材料を薄く軽くして、ドーム自身の重さを賢く減らしているんだよ。内側の天井に彫られた四角いくぼみ(格間=コファーと呼ばれる装飾)も、見た目の美しさだけじゃなくて重さを減らすのに役立っている。デザインと構造がひとつになった設計なんだ。
そのパンテオンのドームには、天井のてっぺんから放射状に走るひび割れがたくさんあるんだ。でも心配はいらない。前掲の研究(Masi ほか, 2018)によると、このひびはドームが横に広がろうとする力(たがを外そうとするような引っぱりの力だよ)で早い時期に入ったもので、構造の解析でも安全な範囲におさまっているとされている。だから崩れる心配はない。ただし、ひびが正確にはどうやって生まれたのか、その厳密な起源は、収縮と自重による説が主流ではあるけれど、完全には決着していないんだ。
本論③:アーチと水道橋——石の弱点を形で補う工夫
最後は、ローマ建築のもう1つの主役、アーチだよ。コンクリートが「材料の化学」なら、アーチは「形の工夫」で石の弱点を乗りこえた技術なんだ。
引っぱりを圧縮に変える発想
石やコンクリートには、はっきりした弱点があるんだ。上から押しつぶす力(圧縮)にはとても強いのに、引きちぎる力(引張)にはもろい。だから、石の板を橋みたいに水平に渡すと、真ん中が下に引っぱられて、あっさり折れてしまう。この弱点があるせいで、石だけで広い空間に屋根をかけるのは難しかったんだ。
そこでアーチの出番だよ。アーチは、くさび形に切った石(迫石=せりいし、と呼ぶよ)をカーブ状に並べて作る。そして、いちばん上のてっぺんに最後のくさび石(要石=かなめいし)を打ち込んで、全体をぎゅっと締めるんだ。こうすると不思議なことが起きる。上からかかった重さが、アーチの曲線に沿って一個一個の石を「押しつぶす向き」の力に変わって、両端の柱へと流れていくんだ。つまり、石が苦手な引っぱりを、石が得意な圧縮に変換してしまう。これがアーチの仕組みだよ(Ortloff, 2021;Lancaster, 2005)。
作り方にもコツがあってね。アーチを組んでいる途中は、まだ要石が入っていないから自分では立てない。だから、いったん木の仮枠(支保工=しほこう。センタリングとも呼ぶよ)を組んで、その上にくさび石を並べていくんだ。最後に要石を打ち込んで全体が締まって初めて、木の枠を外してもアーチが自立する。この「くさび形の石+最後に締める要石」というアイデアのおかげで、ローマ人は引っぱりに弱い石やコンクリートを、広い空間や長い橋にどんどん使えるようになったんだよ。
ポン・デュ・ガール:モルタルなしで組んだ3層の水道橋
そのアーチ技術の傑作が、南フランスにあるポン・デュ・ガールだよ。これは、ネマウスス(今のニーム)という街へ水を送るための水道の一部で、世界遺産にも登録されているんだ(UNESCO 世界遺産センター, 1985年登録)。アーチを3段重ねた構造で、高さはおよそ48.8メートル。ローマの水道橋のなかでも最も高い部類なんだ。
この橋のすごいところは、橋の部分の石が精密に切り出されていて、モルタル(石をくっつける接着材)をいっさい使わず、石どうしの摩擦と重力だけで組まれていることなんだ(Ortloff, 2021)。乾いた石積み、つまり「乾式」だよ。石を寸分たがわず削って積み上げ、あとは重さで安定させる。アーチの原理を知り尽くしていたからできた芸当だね。
そして測量の精度がまた尋常じゃない。前掲の研究(Ortloff, 2021)によると、この水道は全長およそ50キロで、1日におよそ4万立方メートルもの水を運んでいた。水は高いところから低いところへ、ずっとゆるやかに下る勾配で流れていくんだけど、その傾きがまた驚くほど緩いんだ。ポン・デュ・ガールの橋の部分では、274メートルの長さに対してわずか約2.5センチしか下がっていない。ほとんど水平に見える傾きで、それでも水がちゃんと流れるように精密に計算されているんだよ。建設されたのはクラウディウス帝の時代、1世紀の半ばごろとされている。
ちなみに「水をどうやって遠くまで、正確な傾きで流したか」という水運びの技術そのものは、この連載の第4回でたっぷり掘り下げるよ。ここではアーチという「橋を支える構造の話」に絞ったけれど、ローマの水道はそれ自体が巨大な技術のかたまりなんだ。続きを楽しみにしていてね。
まとめ:古代西洋を支えた「石の力学」と「材料の化学」
今回の要点を、もう一度おさらいしておくね。
- ギザのピラミッドは「重い石をどう運び、どう積んだか」という力学と物流の技術。石を現場近くまで水路と船で運んだことは、消えた支流の発見(Ghoneim ほか, 2024)と一次文書メレルの日誌(Tallet; Stille, 2015)でかなり分かってきた。造ったのは奴隷ではなく組織化された労働者(Shaw, 2003)で、方位と水平の精度もおそろしく高い(Nell & Ruggles, 2013)。ただし石をどうやって高く積んだか(揚重・据付の方法)は、今も決着していない諸説ありだよ。
- ローマン・コンクリートは「材料を化学で強くする」技術。火山灰と石灰で水の中でも固まり、しかも長もちする理由には少なくとも2つの別々の仕組みがある。海水と火山灰で新しい鉱物が育つこと(Jackson ほか, 2017)と、石灰クラストによるひびの自己修復(Seymour ほか, 2023)。
- パンテオンは鉄筋ゼロの無筋コンクリートドーム(内径・高さともに約43m、天窓約9m)。厚みと骨材を上ほど軽くする設計で自重を抑えている。ひびはあるが安全域、ただし原因の細部は研究中(Masi ほか, 2018;Lancaster, 2005)。
- アーチと水道橋は、くさび形の石と要石で「引っぱりを圧縮に変える」形の技術。ポン・デュ・ガールはモルタルなしの乾式で組まれ、極めて緩い勾配を精密に実現している(Ortloff, 2021;UNESCO, 1985年登録)。
こうして見ると、同じ「古代の巨大建築」でも、ピラミッドとローマの建物は根っこの技術がまるで違うのが分かるよね。片や石という材料をどう扱うかの勝負、片や材料そのものを化学でつくる勝負なんだ。次回もお楽しみに!
参考文献
- Ghoneim, E., Ralph, T. J., Onstine, S., El-Behaedi, R. ほか (2024). The Egyptian pyramid chain was built along the now abandoned Ahramat Nile Branch. Communications Earth & Environment (Nature Portfolio). doi:10.1038/s43247-024-01379-7
- Tallet, P.(発掘・一次刊行)/ Stille, A.(記事化)(2015). The World’s Oldest Papyrus and What It Can Tell Us About the Great Pyramids. Smithsonian Magazine(科学報道・二次。一次はP. Talletのワディ・アル=ジャルフ発掘刊行 Les papyrus de la mer Rouge I)。
- Shaw, J.(記事)/ Lehner, M.・Hawass, Z.(研究)(2003). Who Built the Pyramids? Harvard Magazine.
- Nell, E., & Ruggles, C. (2013). The orientations of the Giza pyramids and associated structures. arXiv(プレプリント)。
- Seymour, L. M., Maragh, J., Sabatini, P., Di Tommaso, M., Weaver, J. C., & Masic, A. (2023). Hot mixing: Mechanistic insights into the durability of ancient Roman concrete. Science Advances. doi:10.1126/sciadv.add1602
- Jackson, M. D., Mulcahy, S. R., Chen, H., Li, Y., Li, Q., Cappelletti, P., & Wenk, H.-R. (2017). Phillipsite and Al-tobermorite mineral cements produced through low-temperature water-rock reactions in Roman marine concrete. American Mineralogist, 102(7), 1435-1450. doi:10.2138/am-2017-5993CCBY
- Ortloff, C. R. (2021). Roman Hydraulic Engineering: The Pont du Gard Aqueduct and Nemausus (Nîmes) Castellum. Water, 13(1), 54 (MDPI). doi:10.3390/w13010054
- Masi, F., Stefanou, I., & Vannucci, P. (2018). On the origin of the cracks in the dome of the Pantheon in Rome. Engineering Failure Analysis, 92, 587-596. doi:10.1016/j.engfailanal.2018.06.013
- UNESCO World Heritage Centre (1985年登録). Pont du Gard (Roman Aqueduct). UNESCO 世界遺産センター(公的一次)。
- Lancaster, L. C. (2005). Concrete Vaulted Construction in Imperial Rome: Innovations in Context. Cambridge University Press.
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