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* 量子論・相対論9:反粒子の存在を予言(1930年:ディラック)

Q72: 真空とは一体何(どういう状態)だろう?次から選べ、①何もない空っぽな空間、②何かで充満され、ギッシリ詰まった空間

この不思議な真空状態は「ディラックの海」と呼ばれる。この状態を発見し、あらゆる粒子はそれと正反対の性質を持つ「反粒子」をその海の中に持ち、そして刺激を与えることで実空間に飛び出してくる。という全く信じられない理論的予言をした若者が、英の天才ディラック(Paul Adrien Maurice Dirac、英、1902~1984年)である。まず彼の生い立ちから調べてみよう。ディラックはハイゼンベルクの1年後、英のブリストルでスイス人の父と英国人の母のもと、3人兄妹の次男として生まれた。高校を繰り上げ進級後、ブリストル大で電気工学を学び19歳で卒業。その後2年間同大で数学を学ぶ。21歳(1923年)からケンブリッジ大に移り理論物理を学んだが、1925年ハイゼンベルクの量子論の講演を聞き、量子論の基礎研究をスタートさせた。「ハイゼンベルク方程式の物理量の非可換性」「シュレディンガー方程式の波動関数の対称性」など画期的な成果を早期にあげ博士号を取得。1926年からボーアのもとに留学、両方の方程式の統一化の研究を行い、有名なδ関数を導入し(1927年)連続性と離散性を類比しながら議論できるようにした。

 同じ理論物理と言っても、ディラックは研究スタイルがボーアとは全く逆であった。ボーアがグループでの対話と討論の中でワイワイガヤガヤと研究を進めるのに対し、ディラックは寡黙で一人静かに思考を重ねた。ある日、人の居ない教室でじっとしているディラックに、何をしているのか?と尋ねると、「人は一生懸命考えなくてはならない」と答えたという。そして次にすることは静かに書くことであった、これが彼の研究活動の全てである。又、彼の仕事の中身は全く抽象的であり数学的形式美を尊んだ、そして具体的モデル像には興味がなかった。いやむしろ嫌ったと言ってもよい。シュレディンガーが波動方程式の波動の意味を考察しているとき「模型や対象のイメージに捉われすぎてはいけない」とのコメントを偉大な先輩に行っている。

 さてディラックの反粒子の発見だが、これはそのような物質を目指して発見したわけではない。彼の目的は、相対論と量子論の数学的融合にあった。1928年、26歳でシュレディンガー方程式を相対論に調和するように書き換えることに成功し、ディラック方程式が生み出された。ここで予期せぬことが2つ起きる。一つは電子のスピンの性質がその方程式から自然に導かれたこと。電子にはスピンと呼ばれる量子数が内在することが実験より分かっていたのだが、実はその理論的よりどころがまだ不明であった。それがこのディラック方程式で明確になったのである。つまりスピンとは量子論の相対論的効果により生じたものと解明された。そしてもう一つが負のエネルギーを持つ電子が「形式的(数学的)」に現れる、という不思議さであった。これは当初単に数学上の形式的な幻想に思えた。そして、そうであるが故にディラック方程式には不備があると否定的に評価されたのである。

 ディラックは「自分の導いた方程式の数学的美しさを考えると、ここに間違いがあろうはずがない。」と考えた(すごい自信だ!)。そして、ここでは皮肉にもディラック自身が嫌ったモデル像による物理的解釈によって切り抜ける手法を取ったのである。負のエネルギーの電子とは、電子とは逆電荷、つまり同量の「正電荷」を持ち、電子と同じ質量を持つ反粒子(現在の陽電子)が存在し、真空とはその陽電子で満ちた海のような状態(ディラックの海)という奇想天外なモデルをひねくり出した(1928年;26歳の時)。「真空とは空っぽではなく、反粒子で満ちた満員電車状態(負のエネルギー状態)であり、満員であるがゆえ、通常世界(真粒子の空間=我々の住む世界)からは見えず、負のエネルギー状態にアクセスもできない」というまるで「黄泉(よみ)の世界」を予言したようなものであった、当然こんなモデルは賛同されるはずがない。ところが、なんとこのモデルが1932年米のアンダーソン(Carl David Anderson、米、1905~1991年)らによって実験により検証されてしまうのである。

 アンダーソンらは、ウィルソンの霧箱という微粒子の運動軌跡を観測する道具を用いて、宇宙から降り注ぐ宇宙線を観測していた時、その中に陽電子の軌跡を見つけた。さらに彼らはγ線を原子核にあて、γ線を消滅させることで陽電子と電子の対生成(ペアでの生成)に成功し、陽電子を人工的に生み出す(真空の中から取り出す)ことが可能であることを示した。逆に、生じた陽電子と電子を衝突させると、それぞれが消滅し(対消滅)γ線が発生することもわかって来た。まさにディラックの海は単なる数式が生んだSFではなく、科学的事実であったのだ。この成果でディラックは1933年に、アンダーソンは1936年にそれぞれノーベル賞を受賞した。

宿題72:ディラックは、一人寡黙で静かに考えることが好きであり、派閥も弟子も作らなかった。有名になる事を極度に嫌い、ノーベル賞の受賞が決まった時も辞退しようとした。これを師の一人であるラザフォードが説得して受賞させたのだが、どうやって説得したのだろう?

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