第72巻第9号（通巻823号）
平成29年9月5日発行 付録ଐஜཋྸ‫˟ܖ‬оᇌԗ࠰ᚡࣞ˖ဒ

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70

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物理学70のの不思議
不思議日本物理学会創立70周年記念企画?

70

日本物理学会誌

第72巻 第9号（通巻823号）付録??

物理学70のの
不思議
不思議

目

次

はじめに

1

18 原子核の地図はどこまで広がる？

19

19 20XX 年宇宙の旅：クォークから原子核，そして宇宙へ

20

220 恒星の誕生と死

21

02 時空はなぜ 4 次元か？

3

21 ブラックホールにならない中性子星，分岐点は？

22

03 宇宙初期のインフレーションはどこまで解明できるか？

4

22 超大質量ブラックホールはどのようにできたのか？

23

04 ビッグバン 10 マイクロ秒後の世界

5

23 ブラックホールに吸いこまれた情報を取り出せるか？

24

05 素粒子の世代はどこまでもくり返すのか？

6

24 ブラックホールは宇宙一明るい？―相対論的ジェットの謎―

25

06 ニュートリノはなぜこんなに軽いのか？

7

25 超高エネルギー宇宙線の起源は？

26

07 なぜ暗黒物質はいまだ見つからないのか

8

26 宇宙のあらゆる階層に広がる磁場の起源

27

08 暗黒エネルギーの正体は？―宇宙の加速膨張の謎―

927 太陽コロナはなぜ熱い？

28

09 なぜ我々は物質だけからできているのか？

1028 惑星・衛星の起源―多様な惑星系はどのようにできたのか―

29

10 クォークの閉じこめ―なぜクォークは発見されないのか？―

1129 核融合エネルギー発電は実用化するか？

30

11 ヒッグス粒子の背後にある物理は何か？

1230 乱流は難しい？

3112 対称性を探る虫眼鏡：マイクロラボラトリー

13

31 量子電気力学はどこまで正しいのか？

32

13 陽子はクォーク 3 つからできている？

14

32 どこまで正確な時計をつくれる？

33

01 宇宙はどのようにはじまったのか？

14 テトラクォーク？

宇宙の未来は？

15

33 実験室で超新星爆発をシミュレート？

34

15 ストレンジな原子核，チャームな原子核

16

34 量子力学の不思議を実験的に検証する

35

16 原子核の形とダイナミクス

17

35 盗聴不可能な通信は可能？

36

17 究極の超重原子核―安定の島をめざして―

18

36 量子コンピュータは実現するのか？

37

ii

ペンタクォーク？

グルーボール？

37 素粒子と物性の不思議な関係

38

56 「量子」と「古典」の境界はどこにあるのか？

57

38 フェルミ粒子系の数値計算はなぜ難しい？―負符号問題―

39

57 熱平衡状態とは何か？

58

39 マヨラナ粒子の尻尾をつかめ！

40

58 非平衡統計力学の基礎―時間の矢―59

40 還元と創発―物質世界のとらえ方―

41

59 厳密に模型を「解く」―可積分系への挑戦―

60

41 トポロジカル秩序と奇妙な励起状態

4260 ガラスは固体？

液体？

61

42 「観る」を極める

43

61 地震予知はなぜ難しい？

62

43 アト物理―超高速現象にどこまで迫れるか―

44

62 経済に物理学は役立つか？

63

44 透明マントはできる？―メタマテリアル―

45

63 自走する粒子系としての細胞や生物集団のふるまい

64

45 マテリアルの性質を光で変える？―光誘起相転移の挑戦―

46

64 シマウマの縞模様

65

46 異質な物質同士の理想の出会いとは？

47

65 タンパク質はなぜ間違えない？

66

47 スピンの流れを制御する―スピントロニクスの挑戦―48

66 電子の量子状態から見る生命現象

67

48 極限環境への挑戦―低温・高圧・強磁場―49

67 生物分子機械

68

49 コンピュータで挑む物質設計

50

68 生命の物理―相互干渉する多スケール系の共通性と多様性―

69

50 金属と絶縁体のはざまに広がる豊かな物性

51

69 物理学は誰のもの？

70

51 超伝導の転移温度はどこまで上がる？

52

70 物理学はどこへ行くのか71

52 銅酸化物高温超伝導体―30 年来の未解決問題―

53

53 「ランダウのご神託」への挑戦―フェルミ液体論の深化―

54

関連記事

73

54 スピンを操る「見えざる手」―スピン・軌道相互作用―55

55 見えない秩序を探索する

56

iii

iv

はじめに
日本物理学会は 1946 年に設立され，2016 年 4 月に 70 周年を迎えた．

この小冊子は日本物理学会誌 2016 年 4 月号から 1 年間にわたり連載された「物理学 70 の不思議」を再編したもので

現代物理学は先人の叡智の蓄積に支えられている．我がある．取りあげた 70 のトピックは，各分野内での高いア国のことに限ったとしても，物理学会の 70 年，前身の日チーブメントというよりむしろ，広範な物理学分野に共通

本数学物理学会から数えて 140 年近くにわたる分厚い歴史する横串となるコンセプトの紹介，という観点から選定さは物理学会員にとっての貴重な財産となっている．これられた．これは，物理学の将来の姿を描き，次世代の物理学は今後の物理学研究においてかけがえのないものとして受徒に未来の夢を託すとき，分野間交流や横断的な切り口はけ継がれていくだろう．

1 つの大きな指針になるだろう，という期待による．

会誌編集委員会では，学会設立 70 周年を記念し，現段

この小冊子は次世代へのバトンである．読者として物理

階で物理学からアプローチされている自然現象を整理し，学の基礎教育を受けた学部 3〜4 年生以上を想定している今後ある程度の長期的スパンで私たちに託された物理学のが，たとえ物理学会員でなくとも，物理学に関心を寄せる

挑戦と，自然現象の不思議を紹介したい，と着想した．

若い世代にも「ちょっとした背伸び」感覚で楽しんでいた

広範な自然を対象とする物理学の地平の広げ方はさまざだきたい．各記事は短く，先端研究の成果が凝縮されていまだ．すでに広く受け入れられている枠組みであっても，るが，興味をもった内容については巻末にあげた日本物理

実験・理論的な技術的挑戦による精度の追求から新概念に学会誌の関連記事などにより理解を深めてほしい．もちろ

導く分野もあれば，自然の謎を探し出し，より正しく問題ん，各分野の専門家の方々におかれても，自らや異なる研設定を行うことから理解を深める，ということに価値がお究分野の問題意識を共有する端緒としていただきたい．

かれる分野もある．―挑戦と謎― 一見直交ベクトルのよう

この小冊子が，読者が自然のなかに新たな不思議を見出に見える研究の方向性も，自然現象のなかに「不思議」をすきっかけとなり，また物理学の次の 70 年を導く一助と見出す人々の単純な動機に導かれている．

なることを願ってやまない．
70 Challenges and Mysteries in Physics | 1

01

宇宙はどのようにはじまったのか？

永劫不変と考えられていた宇宙そのものが，時間ととも宇宙の未来は？

相対性理論のもとで宇宙が正の宇宙項，すなわち状態方程に変化する存在であることが認識されたのは，1920 年代の式 p＝−ρ にしたがう正の真空のエネルギーをもっている，

ルメートルやハッブルによる宇宙膨張則の発見が端緒であというものである．それ以外の可能性も許容するため，加る．一般相対性理論によれば，宇宙の大きさを表すスケー

速膨張を引き起こすもとになるエネルギーを暗黒エネル

ルファクター a は，ä＝−4π G（ ρ＋3p）a / 3 という 2 階微分方

ギーと称し，その状態方程式を p＝wρ と書いて w を決定す

程式にしたがう．ρ は宇宙の平均的エネルギー密度，p はる，というのが今日の観測的宇宙論の中心的課題である．

圧力である（c＝1 としている）．この式を見てすぐにわかもし w <−1 ならスケールファクターは有限の時間で発散

ることは，ρ＋3p が正であれば，有限の時間さかのぼるとし，すべての物質はバラバラになってしまう．これがビッ

a（t）＝0 になることである．これが宇宙のはじまりの初期グリップ（断裂）特異点であり，宇宙の未来はそこで終わる．

特異点である．すべての物理法則が破綻する特異点から宇一方，w＝−1 なら宇宙は「ド・ジッター時空」に漸近し，宙がはじまった，というのははなはだ都合の悪い話である宇宙の未来は真空のエネルギー密度という 1 パラメータだから，宇宙の大きさがある程度小さくなったところ（典型

けで記述される単純な状態になる．この状態は古典的には的にはプランクスケール）までさかのぼると時空の量子効

永遠に膨張を続けるが，ド・ジッター時空は量子論的には果が効き出し，それより前は，そもそも時間発展という概より大きな真空のエネルギー密度をもつ小さな宇宙に相転念を定義できないので，結局のところ宇宙は量子重力の支移することが可能である．つまり初期宇宙のインフレー

配する混沌からはじまったのだ，というのが最も保守的なション期に先祖返りできるのだ．もし私たちの宇宙もこう考え方である．すると，宇宙のはじまりを理解するためにしてできたものなら，宇宙のはじまりを量子重力時代に求は，量子重力理論の完成を待たねばならないことになる．

める必要もなくなる．したがって w の測定は，宇宙の将来

一方，前世紀末期に，現在の宇宙が加速膨張していることが発見された．原因は謎だが最も保守的な説明は，一般
2 | 物理学 70 の不思議だけでなく宇宙のはじまりに関しても，重要な情報を与えることになる．

02

時空はなぜ 4 次元か？

時空が 4 次元であること，すなわち，我々の宇宙が 1 つ

なわち 10−33 m 程度より短い距離のスケールでは，時空のの時間と 3 次元の空間からなることは経験的に明らかであゆらぎが大変大きくなっていることがわかる．このことかる．実際，素粒子標準模型や一般相対性理論は，4 次元時ら「なめらかな多様体」という時空の描像は，プランク長

空のうえで定義された場に対する方程式であり，これらのさより長い波長で見たときの近似であり，プランク長さ以方程式で自然現象は大変うまく記述できている．

下の領域では，通常の幾何学的な描像はもはや成り立たな

一方，数学的には任意の次元の時空を考え，場の方程式

いと予想される．

や量子論をそのうえで矛盾なく展開することができる．そ結局，時空の次元の問題は，弦理論が完成した暁には「プうすると，我々の宇宙はなぜ 4 次元なのかという疑問がごランク長さより長い波長で見たときに，4 次元時空に見えく自然にわいてくるだろう．

るような宇宙が高い確率で生成される」という形で解決すもし時空が単に平坦なミンコフスキー空間であれば，なるかもしれない．まだ決定的ではないが，これに向けていぜ自然が 4 次元を選んだかといった疑問は，単に思弁的なくつかの議論がなされている．たとえば，弦理論の完全なものだろう．しかしながら，一般相対性理論は時空自体が定式化の候補である行列模型では，時空ははじめから導入

力学変数であることを意味しており，さらに量子力学ではされているのではなく，力学的に生成されるが，それが実すべての量がゆらいでいることを考えると，時空のトポロ

際に 4 次元時空になっているかどうかが調べられている．

ジーや計量も，量子的にゆらいでいると考えられる．

逆に，弦理論が完成したとしても，残念ながら任意の次

重力の量子論，すなわち量子重力を完全な形で与える有元の時空が可能であり，むしろ人間原理のような何らかの力な候補が弦理論だが，残念ながらまだ完成していない．

付加的理由によって，4 次元時空が選ばれているのかもし

しかしながら，時空の量子ゆらぎがどの程度のものである

れない．いずれにしても，時空がなぜ 4 次元かという問題

かを，アインシュタイン方程式と場の量子論から評価しては，基本原理を理解する鍵となる興味深い問題である．

みることができる．その結果，いわゆるプランク長さ，す70 Challenges and Mysteries in Physics | 3

03

宇宙初期のインフレーションはどこまで解明できるか？

1980 年代初頭に，宇宙は誕生直後に急激な加速膨張を起こしたという，インフレーション仮説が提唱された．こゆっくりと時間変動（インフレーション）の仮説の極めて重要な点は，高精度で平坦かつ一様等方な宇宙が実現されると同時に，星や銀河などの種である原始
密度のムラの起源も自然に説明できることである．しかも，熱い宇宙の誕生

原始密度のムラが，特徴的な空間パターンをもつことを予言する．それに加えて，原始重力波という，宇宙スケールの波長をもつ重力波の存在も予言する．驚くべきことに，
宇宙のさまざまな観測によっても，インフレーション仮説られたのか，どうやってインフレーションが終了し，熱いは裏づけられつつある．

ビッグバン宇宙に転化したのか，といったより根本的な問

このような観測的支持にもかかわらず，インフレーショ

いになると，まだ何も答えはわかっていないのだ．原始密ンについてわかっていることは少ない．平坦に近いポテン

度のムラのパターンをこれまで以上に精密に測定できるよ

シャル中をゆっくりと時間変動するスカラー場により，イうになると，これらの基本的な謎の解明にさらに迫れるよ

ンフレーションが実現する．急激な空間の加速膨張によっうになるだろう．また，未検出の原始重力波が発見されれば，て，スカラー場の量子ゆらぎが一気に引き伸ばされ，それが超高エネルギーでの重力理論の検証も可能になるだろう．

原始密度のムラをつくり出す．インフレーションが終わる

宇宙マイクロ波背景放射の偏光，宇宙の大規模構造や中と，スカラー場がほかの粒子に崩壊しはじめ，放射に満ちた性水素起源の電波（21 cm 線），そして重力波など，観測の熱い宇宙が現れる．このような漠然とした描像はどうやら

進展は今後も期待されている．インフレーションの全貌が正しそうだが，未知のスカラー場とはいったい何か，スカ解明される日も，そう遠くないかもしれない．

ラー場のゆらぎから原始密度のムラはどういう機構でつく
4 | 物理学 70 の不思議

04

ビッグバン 10 マイクロ秒後の世界

138 億年前のビッグバンで，宇宙は超高温高密度の火の玉として生まれた．そのごく初期ざっと宇宙時間 10 マイク
から中間子，陽子，中性子など（ハドロン）への相転移とい

温度ロ秒，宇宙はクォーク・グルーオン・プラズマ状態（QGP）
う大変化を起こす．この「非閉じこめ・閉じこめ」相転移はたちまち完了し，宇宙に裸のクォークは存在しなくなる．
このシナリオは，いまから 20 年前には仮説にすぎなかった．
当時はまだ QGP の存在は実証されていなかったのである．

密度1960 年代，それまで素粒子だと考えられていたハドロン
が，より「素」なクォークとグルーオンからなること，同時し，さまざまな観測量により QGP の生成は明らかとなった．

にそれらは「閉じこめ」られ単独では取り出せないこともそのうえ，QGP の性質はほぼ粘性のない流体であることもわかってきた．これらを定式化したのが，量子色力学であ判明し，ガス状という大方の予想を見事に裏切っていた．

る．一方，空間のエネルギー密度が極端に高くなると，そ予想される相図を示すが，わかっているのは通常の原子の空間内を多数のクォークとグルーオンが自由に飛び交う

核付近と高温低密度側のみである．はたして臨界点や 1 次「非閉じこめ」状態になることも予想された．これが QGP

相転移は発見されるのか？

であり，実験室で実現するために，相対論的重イオン衝突

見つかるのか？

型加速器（RHIC）が米国で建設された．この実験では，自目が離せない．

らの質量の 100 倍もの運動エネルギーをもたせた金の原子

高密度側のカラー超伝導相はCERN の LHC 実験もはじまっており，

最後に問題，RHIC の衝突点温度は 4 兆度に達したと記核同士を正面衝突させ，原子核程度の大きさの空間に超高したが，どんな原理の温度計を用いたのか？

温高密度状態をつくり出す．この状態の温度は 4 兆度に達ほしい．できればその困難さも．

考えてみて70 Challenges and Mysteries in Physics | 5

05

素粒子の世代はどこまでもくり返すのか？

原子は電子（e）と陽子，中性子からできており，陽子と中性子はさらに小さなアップクォーク（u）とダウンクォー
ク（d）でできている．この e，u，d が，私たちの体をつくる素粒子である．私たちの体の構成要素ではないが，宇宙を飛びまわる電子ニュートリノ（νe）もまた素粒子である．
素粒子には「世代」とよばれるくり返し構造がある．前述の「d，u，e，νe」は第 1 世代の素粒子であり，安定で，この宇宙の構成要素となっている．このそれぞれの粒子に対し，電荷やスピンなどあらゆる性質がまったく同じで質量だけが重い第 2 世代の粒子の組「s，c，μ，νμ」，質量だけがさらに重い第 3 世代の組「b，t，τ，ντ」が存在する．
すべての物質が陽子と中性子，電子で説明されていた時

い る．2012 年 に LHC（Large Hadron Collider）で 発 見 さ れ

代にミューオンが発見されたとき，ラビ（I. I. Rabi）は Who

たヒッグス粒子の性質からも，標準理論の枠内ではクォー

ordered that ? と叫んだという．なぜまったく同じ性質の

クもまた 3 世代までという結果が得られている．それでは素粒子の組がくり返し現れるのか？ 3 世代で終わりなの

なぜ世代数は 3 なのだろうか？

か？

それとも第 4，第 5 世代とくり返すのだろうか？

素粒子実験では以前，第 4 世代の素粒子を見つける競争が行われていたが，1989 年に LEP（Large Electron-Positron
collider）実験が「軽いニュートリノ」の数は 3 であるという実験結果を得て以降，世代の数は 3 であると考えられて
6 | 物理学 70 の不思議

標準理論を超えた，重い

ニュートリノやヒッグス 2 重項をともなう第 4 世代は，本当に存在しないのか？
世代数を決める基本原理を探す研究が続けられている．

06

ニュートリノはなぜこんなに軽いのか？

ニュートリノは素粒子の一種である．1930 年にパウリ

左巻きニュートリノ

右巻きニュートリノ（W. Pauli）が存在を理論的に予想してから 80 年以上，1956
年にライネス（F. Reines）とカワン（C. Cowan）がはじめて実験で検出してから 60 年が過ぎたが，いまだに素性がよくわかっていない．

ニュートリノ質量

質量は素粒子の基本物理量の 1 つであるにもかかわらず，
ニュートリノではその測定にまだ成功していない．ただし，
ニュートリノ振動の発見から，その値は非常に小さいもの

は極めて重いマヨラナ質量をもつことができ，「シーソーの 0 ではないことはわかっている．また宇宙の大規模構造

機構」（図）とよばれる質量固有値の反比例関係を通して，におけるゆらぎの観測から，3 種のニュートリノの質量の我々の世界を飛び交っているニュートリノの質量を特異的和は約 0.23 eV 以下と考えられている．この質量は，ほかに小さくすることができる．

の素粒子に比べてあまりに軽すぎる（ニュートリノ以外でさらにおもしろいことに，この極めて重い右巻きマヨラ

最も軽い電子の 100 万分の 1 以下）．なぜニュートリノはナニュートリノは，物質粒子への崩壊と反物質粒子への崩

こんなに軽いのだろうか？

壊の確率が異なる可能性がある．初期宇宙における右巻き

ノと反ニュートリノが別の粒子だとすれば，ニュートリノ

マヨラナニュートリノの生成と崩壊によって，我々の住む
この宇宙の「物質優勢の謎 *」が説明できるかもしれない．

の質量もほかのすべての素粒子と起源は同じ（ディラック「ニュートリノはなぜ軽い？」という問いは，この素粒子すべての素粒子にはその反粒子が存在する．ニュートリ

質量）であり，ニュートリノだけが特異的に軽いのは不自物理学最大の謎に迫る糸口なのである．

然である．一方，ニュートリノと反ニュートリノが同じ粒

子の場合（マヨラナ粒子：39 参照），
「右巻きニュートリノ」* ビッグバンによって物質と厳密に同じ分量だけ生成されたはずの反物
質は，どこに消えたのか．09 参照．

70 Challenges and Mysteries in Physics | 7

07

なぜ暗黒物質はいまだ見つからないのか

近年における宇宙観測の発展の結果，我々の宇宙に通常の方法では検出にかからない物質，いわゆる暗黒物質が存在することが確定的となった．では，その正体は何であろうか？

これまで確認されている素粒子や，それらが構成する物質は，暗黒物質にはなりえないことがわかっている．
その正体をめぐる謎は宇宙の暗黒物質問題とよばれ，物理学における最重要問題の 1 つとなっている．
暗黒物質の正体については，さまざまな仮説が提案され本柱を軸に行われている．これらの実験の検出感度は上ている．有力なのは，暗黒物質は質量が陽子の 100 倍程度

がっているが，いまだ WIMP の検出にはいたっていない．

の中性で安定な新しい素粒子とする，WIMP（Weakly Inter-

この事実は何を意味するのだろうか？

実験の感度が上

acting Massive Particle）仮説である．この仮説は，素粒子がれば，いずれ発見される可能性は十分にある．これまで標準模型を超える物理と深く関係する可能性を示し，またの高感度探査は，特定の素粒子（クォーク，グルーオンや標準模型の素粒子とある程度の強さで相互作用をすること

ヒッグス粒子）との相互作用に依存する傾向があった．ほも保証する．そのため，理論と実験の両面で強く支持され，かの素粒子との相互作用に感度がある実験（電子・陽電子

現在その検証が世界中で行われている．

加速器など）の推進や，特定の相互作用によらず幅広くシ

WIMP の探査は図のように，高エネルギー粒子衝突で暗グナルが期待できる間接探査の高感度化が重要となる．あ黒物質をつくり出す加速器探査，我々の周囲に漂う暗黒物

るいは，暗黒物質は WIMP ではない可能性もある．その質を地下の検出器でとらえる直接探査，銀河系や近傍銀河

場合，どのような候補がありうるのか，背後にどのようななどにいる暗黒物質が，対消滅の際に生成する高エネル

物理が考えられるのか，そしてどのように検証すればよい

ギー粒子線（反陽子やガンマ線）をとらえる間接探査の 3のか，新しいアイデアに基づく再考が必要となるだろう．

8 | 物理学 70 の不思議

08

暗黒エネルギーの正体は？―宇宙の加速膨張の謎―

Ia 型超新星の光度と赤方偏移の観測の結果，現在の宇宙など必要なく，宇宙の加速膨張は宇宙論スケールで一般相は加速膨張していることが 1998 年に報告され，この発見に対論が破れているための見かけの効果ではないか，という2011 年のノーベル物理学賞が与えられた．引力で宇宙膨

修正重力理論の可能性も議論されている．だが，加速膨張の張を減速させるはずの重力が，どのように膨張を後押しし，理論的な説明の試みは，とうてい満足できるものではない．

加速させるのか？

宇宙の加速膨張の謎は，現代物理学の根幹をゆるがす大問題である．

宇宙の加速膨張の謎に挑むには，まず暗黒エネルギーの密度が「定数」（つまり宇宙定数）なのか時間進化するのか，

アインシュタインは静的な宇宙を得るために，一般相対宇宙論スケールにおける重力が一般相対性理論と矛盾しな論の方程式に，実質的に万有斥力を引き起こす宇宙定数をいか，という 2 つの問題を調べることが重要になる．これ加えた．現在の宇宙膨張で物質や放射よりも宇宙定数が支らは「宇宙の膨張史」と「宇宙の構造形成史」を，宇宙論

配的なモデルを仮定すれば，Ia 型超新星の測定データや，データから調べることに対応する．銀河や銀河団などの宇

宇宙背景放射などのさまざまな宇宙論データを，矛盾なく宙の構造形成は，宇宙の質量の大部分を占める暗黒物質の説明できることが知られている．

重力によるゆらぎ（物質分布の非一様性）の増幅と，ゆら

しかし，宇宙定数の物理的な起源がわかっていない．有ぎをならす方向に働く宇宙膨張の競争の結果として起こる．

力な候補は真空のエネルギーであるが，場の量子論に基づ

このため，宇宙の構造形成を赤方偏移の関数として詳しく

きナイーブに見積もった真空の密度エネルギーの期待値は，調べることで，宇宙論スケールにおける重力の強さと加速観測が示唆する値より約 120 桁も大きい．最近ではこのエ膨張の競争史を同時に調べることができる．

ネルギーを「暗黒エネルギー」とよんでいる．暗黒エネル

日本でもすばる望遠鏡主焦点の広視野カメラと多天体分

ギーの性質が，宇宙がこのまま加速膨張を続けるのか，収光器を用いた「すみれ計画」が現在進行中であり，宇宙加

縮に転じるのか，あるいは終焉を迎えてしまうのか，とい

速膨張の謎の解明をめざしている．

う宇宙の運命を決める．さらにはそもそも暗黒エネルギー
70 Challenges and Mysteries in Physics | 9

09

なぜ我々は物質だけからできているのか？

我々の世界は素粒子からできている．
素粒子には「反粒子」という，質量はまったく同じで性質がまったく逆，という相棒が存在する．たとえば最も身近な素粒子である電子には，「陽電子」という反粒子が存在する．粒子と反粒子は電荷などの性質がまったく反対なので，出会うと＋と−が打ち消し合って消滅し，エネル
ギーの塊になってしまう．逆にエネルギーを狭い空間に集中させると，粒子と反粒子の対をつくり出すことができる．
宇宙のはじまりであるビッグバンにおいても，巨大なエネルギーの塊から粒子と反粒子が生み出された．粒子と反粒子は必ず対になってつくられるので，宇宙に粒子が創成されたとき，粒子と反粒子，すなわち物質と反物質は厳密状態があったことはわかっている．CP 非保存の過程とは，に同じ分量だけつくられた．だが現在の宇宙には，見わた

図の矢印のように，反粒子と粒子の数のバランスを崩す過

すかぎり物質しかない．反物質はいったいどこに消えたの程である．この過程により粒子の数が反粒子よりわずかにだろう？

多くなり，反粒子がすべて対消滅で消え去った後，わずかビッグバン以降の宇宙の進化において反物質が消えてなながら粒子が生き残ることになる．この過程があることもくなる条件は，「サハロフの 3 条件」として知られている．

わかっているが，その大きさが小さすぎて現在の宇宙の物

すなわち（1）バリオン数の非保存，（2）CP の非保存，（3）質量を説明できていない．未発見の新たな CP 非保存の過熱平衡の破れの 3 つである．このうちバリオン数を保存し程を探す，熾烈な競争がくり広げられている．

ない反応があることと，宇宙の進化において熱平衡にない
10 | 物理学 70 の不思議

10

クォークの閉じこめ―なぜクォークは発見されないのか―

原子は原子核と電子から，原子核は核子（陽子と中性子）から成り立っている．それら核子を構成しているのが，物質の最小構成要素の 1 つであるクォークとよばれる素粒子である．もう一方の電子やニュートリノなどはそのまま素粒子として扱われ，レプトンとよばれる．レプトンとは対照的に，クォークは単独で取り出すことができていない．つまり，核子のなかに閉じこめられている．この事実を「クォークの閉じこめ」とよぶ．これは実験の技術的課題といった一

これを外挿して考えると，クォークを引き離すには，距離時的な問題ではなく，現在では，クォークがもつカラー荷電に比例して限りなく大きなエネルギーを要することを意味に働く強い力の本質に根ざす原理的問題と考えられている．

し，閉じこめが理解できる．電場と磁場を入れかえると，強い力はグルーオンとよぶ力の媒介粒子を交換することでこれは第 2 種の超伝導体のなかで磁場が絞られるマイス

生じ，閉じこめは量子色力学とよばれる場の量子論の枠組

ナー効果に酷似しており，双対超伝導描像とよばれる．こみで説明できると考えられているが，未解決問題である．

の描像が弦の理論の起源となった．

カラー荷電間には，距離の 2 乗に逆比例するクーロン類

一般に，カラーをもつ素粒子は単独では発見されず，3 色似の力に加え，距離と無関係に一定の引力が働くことが予あるカラーの組み合わせが無色になるような複合粒子のみが想される．実際，数値シミュレーションによれば，z 軸上観測されると考えられている．クォーク 3 個からなる核子はに離して置いたクォーク・反クォークの対（図の青点）をその一例であるが，グルーオンもカラー荷電をもち，グルー

源として生じるカラー電場は，z 成分しか存在せず，そのボールをつくって閉じこもる．しかし，宇宙初期のように極強さ Ez は z 軸からの距離 y の増加とともに減少するが，カめて高温・高密度の状態では，クォークやグルーオンは閉じ

ラー電場はクーロン的に広がらず，ほぼ一様な分布である．

こめから解放されると考えられ，活発な研究が行われている．
70 Challenges and Mysteries in Physics | 11

11

ヒッグス粒子の背後にある物理は何か？

2012 年のヒッグス粒子の発見は記憶に新しい．素粒子の標準模型では，物質を構成する粒子と力を伝える粒子により，我々の宇宙を記述する．力の伝わり方は理論の対称性が支配しており，たとえば電磁気力は位相変換の対称性に基づく．このような理論体系において，力を伝える粒子は質量をもたない．実際，電磁気力は遠隔力であり，力を伝

それではなぜ対称性は破れたのであろうか？

標準模型

える光子には質量がない．一方，自然界には短距離のみでの枠内では，対称性の破れの起源は明らかにされていない．

働く弱い力があり，こちらは質量をもつ粒子が力を伝える

そこで，「自然に」対称性が破れる新しい物理模型が盛んと解釈するとうまく記述される．しかし，そのような粒子に議論されている．たとえば，高次補正によって常伝導相

は理論の予言能力を壊すことが知られていた．そこで，理が不安定となり，自動的（力学的）に超伝導相に移る可能論と無矛盾な質量を実現するために導入された粒子がヒッ性が考案されている．超対称性（フェルミ粒子とボース粒グス粒子である．光子は超伝導物質中であたかも質量をも子を入れかえる対称性）をもつ標準模型や，ゲージ・ヒッ

つかのようにふるまうが，同様に，我々の宇宙が超伝導相

グス統合余剰次元模型（力を伝える粒子の余剰次元成分とに転移したため，弱い力を伝える粒子に見かけ上の質量がしてヒッグス粒子が現れる），複合ヒッグス模型（ヒッグ

生じたと考えるのである．ヒッグス粒子はこの相転移の引ス粒子を，より基本的な粒子からなる複合粒子と考える）

き金を握る．標準模型では，宇宙が超伝導相に移ることで，などがその候補である．標準模型を超えたこれらの新物理

それまで同一の対称性で記述されていた力を伝える粒子群

模型は，それぞれ新粒子を予言する．したがって，今後のが，質量をもたない光子と，質量をもつ弱い力を伝える粒LHC 実験や ILC 計画などによる新粒子の発見や，ヒッグ

子に分化する．この相転移を「対称性の破れ」とよぶ．これ

ス粒子の精密測定による新物理の検証が期待される．

によって，異なる 2 つの力が統一的に理解されたのである．
12 | 物理学 70 の不思議

12

対称性を探る虫眼鏡：マイクロラボラトリー

一般に，粒子はその反粒子に出会うとすぐさま消滅する．
実際，反陽子を物質中に止めると，強い相互作用によりピ
コ秒以内に消滅してしまう．ところがヘリウム中に止めた
場合，反陽子の約 3% は寿命が約 3 マイクロ秒と 100 万倍
近く長い準安定な束縛状態，反陽子ヘリウム原子を形成す
る．これはヘリウム原子核のまわりに反陽子と電子 1 個が束縛された系であり，反陽子が物質中で準安定な状態を形成している．
物理学の最も基本的な対称性である CPT 対称性は，粒反陽子ヘリウム原子のほかにも，マイクロラボラトリー

子と反粒子の質量や寿命が等しいことを要求する．高い精は存在する．電子の代わりに負電荷の粒子，π− 中間子や度で CPT 対称性を検証できる方法の 1 つが，陽子（Mp）あK− 中間子を束縛した原子が研究されており，さらには原

るいは反陽子（M p）と電子（me）の質量比を計測する実験

子核内部の深くに中間子を束縛した状態も探索されている．

である．Mp /me は 11 桁の精度で測定されている．一方，反これらの中間子を原子核内部を探る窓，つまりプローブと陽子ヘリウム原子が発見された当時，M p /me は 6 桁の精度して利用し，分光実験を通して原子核を超高密度のマイクしかなく，精密な検証には不十分だった．だが近年，レー

ロラボラトリーにするのである．

¯¯

ザーを用いた分光により精度が 10 桁まで大幅に向上し，

低エネルギー密度の真空とは異なり，エネルギー密度のMp /me に迫っている．このように，反陽子ヘリウム原子を高い原子核内では，基礎的な対称性が異なっていても不思

小さな実験室，マイクロラボラトリーとして利用し，基本議はない．マイクロラボラトリーでの実験を通して，カイ的な対称性を検証する研究は，これから大きく進展するだ

ラル対称性のような基礎的な対称性や，真空の位相幾何学

ろうと期待されている．

的な構造を探る研究が進みつつある．
70 Challenges and Mysteries in Physics | 13

13

陽子はクォーク 3 つからできている？

「陽子はアップクォーク（u）2 個とダウンクォーク（d）1個で構成される」と教科書にはある．陽子や中性子が約 1/3の質量（約 300 MeV/c2）をもつクォークから構成されるとする構成子クォーク模型は，中間子を含む多くの粒子，ハドロンの成り立ちを「上手に」説明する．クォーク模型は一

陽子部を除く広範囲のハドロンの質量や量子数をよく再現する．

du u

一方，高エネルギー電子散乱実験から決まる「裸の」u，
d クォークの質量は，たかだか 5 MeV/c2 である．この u，dクォークの質量は，ヒッグス機構によって与えられる質量に相当するが，uud を合計しても陽子質量の 1% 程度にしかならない．このことは，陽子が単純に uud の 3 つのクォークから構成されるとする説明とは矛盾する．

づいた解明が待たれている．
南部陽一郎らは陽子質量の残り 99% の起源を，クォー

同じく，陽子のスピンは 1/2 だが，これに対するクォー

クではなく真空の構造に求めた．真空は空っぽの箱ではな

クからの寄与はたかだか 30% ほどにすぎないことが知らく，強い相互作用によりクォーク・反クォーク対が凝縮しれている．最近の研究により，陽子のスピンはクォークだ

満ちた状態であり，ハドロンの質量は動的に生み出されてけでなく，クォークを結びつける糊であるグルーオン，そいると考えられている．

してそれらの軌道角運動量の寄与などを，包括的に考慮しこのようにハドロンの成り立ちを探ることで，多彩な現

なくてはならないことがわかってきている．陽子を含むハ

象を生み出す量子色力学の世界を垣間見ることができる．

ドロンは，クォークやグルーオンを自由度とする極めて強そしてそれは，クォーク・反クォーク対が自発的に凝縮しく相互作用する複雑な多体束縛系として，量子色力学に基た真空の構造を探ることにもつながるのである．

14 | 物理学 70 の不思議

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テトラクォーク？

ペンタクォーク？

中性子や陽子などのバリオンは 3 個のクォーク（q3）で表され，π 中間子などのメソンはクォーク・反クォーク対

普通の
ハドロン

グルーボール？
エキゾチックハドロンの例（qq̄）で表すことができるという考え（クォークモデル）は，
ゲルマンらによって 1960 年代に提案された．その後，こ型と考えられるメソン（テトラクォーク）が見つかった．この模型を自然に説明するために，南部らとグリーンバーグの発見を皮切りに，とくにチャームやボトムという重い種によって（光の 3 原色を模した）カラーの自由度が導入さ類（フレーバー）のクォークを含む系で，qqq̄q̄ 型のメソンれた．今日，量子色力学（QCD）として知られている理論

や q4 q̄ 型のバリオン（ペンタクォーク）が見つかりはじめた．

のはじまりである．ちょうどスピン 1/2 の 2 粒子がスピン重いクォークのまわりに複数ついた軽いフレーバーの0 または 1 の状態をつくるように，q や qq̄ は白または色のクォークのふるまいと，軽いクォークでできた通常のハドついた状態をつくる．QCD によれば，このうち白の状態

ロンとを比べると，これまで隠れていたカラーが「白」でのみがバリオンやメソン（合わせてハドロンという）としない 2 粒子，3 粒子系の性質が新たに見えてくる．一方，

3て単体で存在できるというのである．q 型や qq̄ 型だけでグルーオンは電磁相互作用における光子と異なり，自身がなく，クォークの数を増やしたりグルーオンを加えたりし

カラー電荷をもち，それら同士も強い相互作用をするため，ても，うまく組み合わせると，この「白」の条件を満たすクォークとともに構成子となってハイブリッド状態のハドことができる（それらをエキゾチックハドロンとよぶ）．

ロンをつくる可能性がある．さらにグルーオンのみででき

しかし，その存在は実験的に確認されていなかった．

たハドロン（グルーボール）も存在するかもしれない．

3

クォークモデルの提案から 40 年ほど経った 2003 年，高エこれらの未知のエキゾチックハドロンの探索とその解明

ネルギー加速器研究機構で，アップとボトムクォークからは，実験・理論の挑戦となっている．それらを統一的に記なる B メソンをつくる実験が行われた．その B メソンが弱述する試みから，シンプルなのに本質的に非摂動論的で複い相互作用で崩壊したときに生成する粒子のなかに，qqq̄q̄

雑な QCD の理解がいっそう深まると期待される．
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15

ストレンジな原子核，チャームな原子核

物質はクォークからなるという事実は，20 世紀物理学の1 つの到達点である．しかし，クォークが物質を形づくる
仕組みは単純ではなかった．通常クォークは単独では存在
せず，おおむね 2 つや 3 つの組（ハドロンという）で現れる．
実際，u（アップ），d（ダウン）クォークが集まり uud と uddという塊になったものが，ハドロンのなかでも安定な陽子

n

Λ

p

Λ n

p

s
d

5
Λ

u

He

と，ほぼ安定な中性子（半減期 11 分）である．クォークにはほかに 4 種類，u，d に次いで軽いほうから順に s（ストレ形づくったのかを深く理解することにつながる．最近ではンジ），c（チャーム），b（ボトム），t（トップ）クォークがs クォークを複数個含んだ，さらにストレンジな原子核をあり，これらを含んだ 2 つや 3 つの組も不安定ではあるが多数つくる実験も進んでいる．さて，超高密度の代表格でハドロンを形成する．

ある中性子星の中心部には，たくさんの s クォークが安定

s クォークを 1 つ含む uds の塊は Λ 粒子とよばれ，陽子に存在し，中性子星が巨大なハイパー核になっていることや中性子とともに原子核を構成することが以前から知られが予想されている．つまりハイパー核の研究は，いまだ謎ている．この Λ 粒子，つまり s クォークを含む「ストレンの多い中性子星の性質を理解する鍵になると考えられる．

ジな原子核」は，通常の原子核と区別してハイパー核とよばれ，π 中間子，陽子，中性子を放出して崩壊する．

ストレンジな原子核が実験で観測されることがわかると，s クォークの次に重い c クォークを含む「チャームな原子

ハイパー核の構造を調べると，核内で Λ 粒子が陽子や中核」もあるかもしれない．Λ 粒子は陽子や中性子に比べて性子から受ける力がわかる．この情報は，陽子・中性子間に20% 重いだけなのに対し，c クォークを含む udc からなる

働く力（核力）をより根源的なクォークに基づいて理解する

Λ＋c 粒子は 2 倍以上重い．そんな「チャームな原子核」があうえで大いに役立ち，この宇宙でなぜクォークが原子核をるとすれば，どんな性質をもっているのだろうか？

16 | 物理学 70 の不思議

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原子核の形とダイナミクス

原子核は，陽子と中性子からなる孤立した液滴のようなもので，表面があり振動したりする．古典的な液滴なら球形になるだけだが，原子核には超流動性があり，さまざまな「形」をとる．原子核のなかではたくさんの陽子や中性子が高密度に密集しているにもかかわらず，原子と似た単一粒子軌道，閉殻構造および魔法数という概念が成り立ち，それらが形の形成の基礎となっている．
一般に，陽子数または中性子数が魔法数に近ければ，基メカニズムの研究が精力的に進められている．近年研究が底状態は球形になる．魔法数から離れると 1 粒子準位密度

進みつつある不安定核では，単一粒子軌道の構造を決めるが上がり，回転対称性が自発的に破れ，原子核は変形する．

魔法数さえ変化し，予期できない複雑な形やその競合が現多くの場合はプロレート型（ラグビーボール型）に変形し，れうる．原子核の量子状態を不安定核まで含め，統一的に回転する．この原子核の形は 1 つに限るわけではなく，複核力から第一原理的に導き，新奇な形とそのダイナミクス

数の形が同時に共存しうる．球形や変形した状態と，そのを予言することは，原子核理論の大きな挑戦となっている．

うえにできるさまざまな準粒子励起状態が競合した結果，ある種の原子核を高速に回転させると，長軸と短軸の比

原子核の量子状態が決まり，電磁遷移などの原子核の性質が 2 : 1 となる超変形（スーパー変形）といわれる形が現れを特徴づける．

る．さらに速く回転させると，原子核が分裂してしまう前

たとえば，形の競合の妙のために，励起状態にもかかわに，長軸と短軸の比が 3 : 1 のハイパー変形になるのではらず長寿命になることがあり，それが元素合成のあり方をないかと考えられている．このハイパー変形の探索は，未左右しうる．また，新奇な形として，バナナ型や正四面体，

知の部分がまだ多い核分裂のダイナミクスの理解につながトーラス型まで理論的に予言されており，それが生み出すると期待される．
70 Challenges and Mysteries in Physics | 17

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究極の超重原子核―安定の島をめざして―

天然に大量に存在する最大の原子番号の原子核は，92 番のウランである．それよりも大きな原子番号をもつ原子核（超重原子核）は人工的につくることができるが，いった
いいくつの原子番号の原子核までが存在するのだろうか？
原子核は陽子と中性子からなり，それらは核力で強く結合しているが，陽子数が増えていくと電気的な反発力が大きくなるため，原子核は崩壊しやすくなる．原子番号が大きくなるにつれ，原子核は不安定になっていき，ついには存在しなくなるはずである．現在，118 番までの原子核が見つかっているが，119 番以上の原子核は見つかるのだろうか？

184 と予言できるので，原子番号 114 で質量数 298 の二重鍵となるのは原子核の安定性であり，核力とクーロン力

魔法数の原子核は，相対的に安定で半減期が長い可能性がのバランスだけでなく，核力から導かれる陽子数や中性子ある．変形の効果を入れた詳しい計算によると，この近く数に現れる魔法数も重要になる．電子の魔法数のように，にはいくつか安定な原子核の存在が予想されている．横軸

原子核も 1 粒子軌道が満杯になると安定になる．安定核にを中性子数，縦軸を陽子数として原子核の存在を表す核図

おける，これまでにわかっている陽子の魔法数は Z＝2，8，

表で見ると，これらの原子核は既知の核種が分布する領域…，50，82 であり，中性子の魔法数は N＝2，8，…，82，126から離れたところに飛び地のように固まっていて，「安定である．とくに，両方とも魔法数（二重魔法数）になる原の島」とよばれている．この安定の島の発見をめざして，

子核，たとえば質量数 208 の鉛（Z＝82，N＝126）は非常にこの領域にあるまだ見ぬ究極の超重原子核を人工的につく安定である．単純に考えると，次の魔法数は Z＝114，N＝る挑戦が続いている．

18 | 物理学 70 の不思議

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原子核の地図はどこまで広がる？

地球上の大部分の物質を構成する安定な原子核（安定核）は，中性子数 N と陽子数 Z がほぼ同数である．一方，極端に N と Z が異なると，原子核は核子（中性子と陽子の総称）を束縛できず，存在しえなくなる．この様子を，横軸を N，
縦軸を Z とした平面上に表したものが核図表であり，いわば原子核の地図にあたる．安定核は，この地図上では，Nと Z がほぼ等しい線を中心とした狭い領域に分布し，300

子ハローといった現象が見つかっている．また，不安定核種類ほど存在する．これまで，これらの安定核を中心に研になると，原子核を理解するうえで基礎となる魔法数が，究がなされ，原子核の構造や反応が明らかになってきた．

安定核のものから変わってしまうことが発見された．このでは，原子核はこの地図上のどこまで存在しうるのであ

魔法数の変化は，核力のなかのテンソル力（2 つの核子のこの問いに答える鍵となるのは，ベータ崩壊やスピンと相対座標に依存する力で，配位によって引力にもアルファ崩壊によって短時間で崩壊する，「不安定」な原斥力にもなる）が，不安定核になると姿を現すためだとわ

子核（不安定核）である．理論的には，不安定核は図のよかってきた．

ろうか？

うに安定核のまわりに膨大に存在し，その数は 7,000 種類

現在，存在しうるすべての不安定核を生成し，その性質

以上と予測されている．しかしながら，その大半はいまだを調べるという挑戦が進んでいる．原子核の地図のランドに発見されていない．これらの不安定核の研究は，理化学スケープが明らかになったとき，我々は安定核と不安定核研究所の RI ビームファクトリーなどの加速器施設で行わを統一的に理解できる普遍的な原子核像を手にすることでれている．

あろう．また，この挑戦は，不安定核のデータが重要とな

これまでの研究から，たとえば中性子が極端に多い不安定核では，中性子分布が原子核の外側に大きく広がる中性る宇宙の元素合成の謎の解明にも，大きな進展をもたらす
ことが期待される．
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19

20XX 年宇宙の旅：クォークから原子核，そして宇宙へ

この宇宙に存在する物質を構成する原子核は，どこからきたのか？

なぜ安定に存在でき，今後どのように進化していくのか？

これらの謎に，素粒子理論に直接基づく第展する一方で，両階層のミッシングリンクをつなぐことは，
過去数十年来，見果てぬ夢であり続けてきた．
近年，この 2 つの階層の架け橋となる核力を含むバリオ

一原理計算で答えようという挑戦がいま，はじまっている．

ン間力について，格子 QCD における導出の定式化が発見

原子核は陽子や中性子など，バリオンとよばれる粒子かされた．格子 QCD 数値計算でバリオン間力を第一原理的ら構成されている．バリオンは複数のクォークからなる複に決定するという挑戦もはじまっており，クォークから原合粒子である．クォーク（およびその相互作用をつかさど子核までを統一的に理解することが可能になりつつある．

るグルーオン）の力学は量子色力学（QCD）で記述される

さらに，バリオン間力のなかで実験的に未解明な部分が大ため，原子核の性質は究極的に QCD によって支配される．

きいハイペロン力（ストレンジクォークがかかわるバリオン

しかし，原子核ではバリオン多体系の素励起・集団運動間力）や，3 つのバリオンの間に働く 3 体力は，宇宙の極限として keV から MeV 程度のエネルギースケールの現象が環境や爆発現象で実現しうる超高密度状態において，力の観測されるのに対し，QCD が扱うクォーク多体系の典型

バランスを左右する．したがって，格子 QCD によるこれら的スケールは GeV 程度である．従来，両者は別々の階層の力の決定は，星の進化の終着点における超新星爆発や中の物理として取り扱われ，それぞれの発展に計算科学が大性子星・ブラックホールの形成，連星中性子星の合体，これきな役割を果たしてきた．バリオン多体系の階層では，核ら爆発的現象と深くかかわる宇宙の元素合成など，さまざま

子の自由度と核力に基づき，量子多体問題を第一原理的にな現象の謎を解き明かすうえで大きな役割を果たすであろう．

解く手法が成果をあげている．クォーク多体系（ハドロン）

20XX 年，クォークから原子核までの俯瞰図が得られたの階層では，格子 QCD とよばれる QCD の非摂動的な定式とき，これらの謎はどのような解決をみているのだろう．

化・第一原理計算手法が，ハドロン単体の性質の計算で成そして，どのような新たな謎が待ち受けているだろうか．

功をおさめている．このようにそれぞれの階層で研究が進
20 | 物理学 70 の不思議

20

恒星の誕生と死物体の重力（強さ G）が大きくなると，水素原子核の陽れる（超新星爆発）と考えられている．実際，超新星爆発

子（質量 mp ，電荷 e）が互いに接近する．すると，このクーは宇宙のいたるところで頻繁に観測されている．しかし一ロン障壁（強さ k0）を量子トンネル（ħ）するエネルギーと方，いままで着々と精度を上げ，最新の基礎物理を盛りこ

重力エネルギーが同程度になり，核融合反応で光りはじめ

み洗練されてきたはずの理論計算では，星はまったく吹きる．この構造が恒星で，宇宙に最もありふれた存在であり，飛ばない．超新星爆発の真のメカニズムは，いまだ大きな

2 −1

その典型的な大きさは ħ e（Gk0 mp me3）−1/2 ≈ 109 m となる．

未解決問題である．

恒星は自己重力によって外界から独立した 1 つの明確な組

超新星爆発した残骸の塵やガスは再び重力で寄り集まっ織体であり，非常に安定な動的平衡にある．核融合反応でて星が再生する．この世代交代する星の一生の連鎖により，中心から順に重い元素をつくっていき，燃料が尽きると最宇宙全体の重い元素の割合が増大していく．

期を迎え一生を終える．しかし，星は子孫を残し進化する．

逆に，宇宙最初の星は重い元素をまったく含まないはず星が誕生し，水素燃焼段階で最も長い時間を過ごした後，である（ゼロメタル星）．標準的な宇宙論における構造形

ヘリウム燃焼段階以降に進むと星は不安定になり，数日か成理論によると，初期宇宙の密度ゆらぎが成長し，宇宙誕

ら数年の周期で明るさを変える脈動段階（変光星）となる．

生後 2 億年ごろからガスが徐々に冷却収縮し，太陽の数十星の質量や圧力などで決まる固有振動だけでは説明できなから数百倍程度の星や星の集団が確かに存在するはずなの

い，種々の変光パターンを示すことが多い．

である．しかし，ゼロメタル星の痕跡がまったく見つかっ

とくに，太陽の約 10 倍以上の重い星（寿命は 3,000 万年
程度以下）では，核融合反応がさらに進み中心に鉄までつていない．地球における最初の生命の誕生と同様，まず初代の星が誕生した真相が，皆目わかっていないのだ．

くる．するとガンマ線で原子核が分解し，急激に減圧した

恒星は宇宙のいたるところで誕生している．しかし，衝星内部は爆縮する．このとき外向きの衝撃波や大量の突・衝撃波・乱流・磁場・冷却などの要因の複雑さも相ニュートリノが生成され，これによって外層が吹き飛ばさ

まって，恒星誕生の必要十分条件さえも解明されていない．
70 Challenges and Mysteries in Physics | 21

21

ブラックホールにならない中性子星，分岐点は？

中性子星は，超新星爆発後にできる半径 10 km 程度のコ
ンパクトな超高密度天体であり，1932 年に中性子が発見された直後にはその存在が予言され，1967 年，パルサー
として見つかった．

超新星爆発の残骸，カシオペア座 A（NASA/CXC/SAO）

中性子星は，重い恒星が超新星爆発したとき中心に残る，
中性子物質でできた世の中で最も高密度な天体であるが，その中性子物質が支えられる質量には上限がある．その上るプロセスが起こりうる．ハイペロンと中性子の間にはパ限を超えるとブラックホールになる．巨視的なパラメータ

ウリの排他原理が効かないので圧力が下がり，中性子物質

である質量上限は，一般相対論から導かれる球対称物質のは柔らかく，中性子星の質量上限は小さくなってしまう．

重力平衡に関する方程式と，物質の圧力と密度の関係であ

一方，最近の連星系パルサーの観測から，太陽質量の 2 倍る状態方程式で決まる．この状態方程式は，核力を含むバ程度の中性子星が発見されているのだが，このような大きリオン間の相互作用を反映している．そのバリオン間の相な質量上限は説明できない．

互作用は，クォークの力学である量子色力学（QCD）から

近年，3 つの核子の間に働く 3 体力の研究が進展してき決まる．このように中性子星の研究は，中性子物質の性質ている．3 体力は高密度領域において斥力として働くため，

を通して，核子やクォークの微視的な世界と密接につな中性子星の質量上限を説明するうえで重要になると考えらがっている．

れている．また，格子 QCD 計算の進展により，クォーク

質量上限を，2 つの核子の間の相互作用である 2 体力だの自由度から第一原理的に核力を含むバリオン相互作用をけを考慮して求めると，太陽質量の 1.8 倍程度になる．し研究することが可能になりつつある．これらの研究をもとかし，超高密度である中性子星の中心部では，中性子がスに中性子星の質量上限を理解するという，新しい挑戦がはトレンジクォークを含むハドロンであるハイペロンに変わじまっている．

22 | 物理学 70 の不思議

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超大質量ブラックホールはどのようにできたのか？

最近の天文観測の進展のおかげで，多くの銀河の中心にそこで最近注目を浴びているのが，いわゆるダイレクト

超大質量ブラックホール（SMBH: SuperMassive Black Hole）

コラプスシナリオである．これはガス球を 10 万〜100 万太が存在することがわかってきた．しかも，質量の大きな銀陽質量の中間質量 BH に，通常の星を経由せずに直接崩壊

河 ほ ど よ り 重 い SMBH を 抱 え て い る こ と か ら，銀 河 とさせるというものだ．最初からある程度大きい BH を生成

SMBH は何らかの形で共進化してきたと考えられている．

すれば，z≃7 までに SMBH をつくりやすくなる．宇宙にまた，宇宙 138 億年の歴史のなかで，ビッグバンからたっおけるこのような物理過程は実験室では実験できないので，た 7 億年ほどしか経っていない早期宇宙（赤方偏移 z≃7）

宇宙論的流体力学シミュレーションを用いた検証がはじに，約 20 億太陽質量の SMBH が存在していたこともわかっまっているが，まだ決着はついていない．

ている．

ガスが SMBH に落ちていくと，重力エネルギーを輻射

「種 BH」を SMBH に成長させるためには，降着する物質

や熱エネルギーとして解放し，高温になって紫外線や X

から角運動量を効率よく引き抜き，また重力と拮抗する放線などを放射する．これが活動銀河核（AGN: Active Ga-

射圧にも打ち勝たなければならず（いわゆるエディントン

lactic Nuclei）として観測されている天体現象である．磁場限界），そう簡単な物理過程ではない．また，銀河衝突に駆動によるジェットが吹き出し，近傍の星間物質を圧縮加ともなう SMBH 同士の合体も検討されているが，ガス降熱するなどしてフィードバックをおよぼす．これが AGN

着のほうがより重要な寄与をすると考えられている．

フィードバックとよばれている現象である．銀河は，超新従来のシナリオでは，金属量が非常に少ない初代星が爆星と AGN からのフィードバックによって自己制御しなが発した後にできる，数十から数百太陽質量の BH が種としら成長してきたと考えられている．このように SMBH 形て考えられていた．しかし，これだと初期質量が小さすぎ

成は，膨張宇宙における構造形成と密接な関連をもっていて，z≃7 に SMBH をつくるには時間がたりないという問るため，さらなる研究が待たれるところである．

題が，宇宙論的構造形成の観点から指摘されていた．
70 Challenges and Mysteries in Physics | 23

23

ブラックホールに吸いこまれた情報を取り出せるか？

ブラックホールは一度入ると光ですら出られない，一般相対論で記述される時空の領域である．興味深いことに，
ブラックホールはその形成過程によらず，質量などのいく
ホーキング放射つかの物理量のみで特徴づけることができる．たとえば外から本などの物質を投げこむと，ブラックホールの質量は本の分だけ増加するが，同時に表面積も増加する．この質
量と表面積の増加分は線形の関係にあり，その比例定数は情報の喪失？

ブラックホール

投げこむ物質の種類によらない．この普遍的な関係式は，表面積をエントロピー，比例定数を温度と同一視すると，出すことができるはずである．しかし，量子力学の効果を

熱力学第 1 法則と解釈できる．また，物理的に妥当な仮定

部分的に取り入れると，ブラックホールはホーキング放射のもとで表面積増大の法則が証明されており，これは熱力とよばれる，投げこんだ物質に依存しない形でエネルギー

学第 2 法則に対応している．ほかにもさまざまな考察から，を放出し，いずれは消滅すると考えられている．なぜ量子ブラックホールは 1 つの熱力学系とみなすことができる．

力学の効果を取り入れたにもかかわらず，ブラックホール

統計力学の立場ではブラックホールがエントロピーをもに吸いこまれた情報が失われるように見えるのだろうか？

つことは，時空の内部がさまざまな微視的状態の重ね合わ

この情報喪失問題は現代物理の難問の 1 つであり，解決せとして記述されることを意味する．そのため本などの物に向けて現在もさまざまな解釈や提案がなされている．量

質を投げこんでも，その情報は失われることなく，内側で何子力学と一般相対論を矛盾なく統合した（いまだ完成してらかの形で蓄えられているはずである．もしブラックホーいない）量子重力理論では，この問題はうまく回避される

ルの微視的な状態が量子力学で記述されるなら，内側で蓄と期待されている．そのため情報喪失問題は，量子重力理

えられた情報はユニタリな時間発展によって，外側に取り論を構築するための重要な手がかりにもなっている．

24 | 物理学 70 の不思議

24

ブラックホールは宇宙一明るい？―相対論的ジェットの謎―

ブラックホール（BH）からは光すら出てこられない．こγ？ ν？

れは一般相対性理論の有名な帰結である．しかし，BH はB？

宇宙で最も明るい天体として，電波からガンマ線にわたって観測されている．とくに BH からほぼ光速で放出される

降着
円盤

BH

外圧

e±？
加速

不安定性？ リコネクション？

γ

p？

収束

宇宙線？

ν？

衝撃波？

伝搬

散逸

ジェットは，前方から見ると非常に明るい．巨大な星を突き破るジェットからのガンマ線バースト，太陽の 100 万倍

引き抜く過程の一種で磁場を用いる．磁場の起源・加速・以上重い超巨大 BH から放出される活動銀河核ジェット，

収束・伝搬・散逸は互いに関係し合い，現象は何桁にもわ連星系であるマイクロクェーサー，星を潮汐破壊する BH

たる．BH が物質を吸収することが，相対論的運動を実現

からのジェットなど，さまざまな系でジェットが実現されするために本質的である可能性が高い．

ている．ジェットは宇宙線の起源，銀河形成，超新星爆発，ジェットの謎はさまざまな挑戦の原動力になっている．

宇宙論などとも密接に関係し，その物理的機構の解明は現

たとえば，スーパーコンピュータを含む数値計算は，磁場代宇宙物理学における最重要問題の 1 つになっている．

や放射輸送を実装しはじめている．また，電波干渉計は

問題は，重力エネルギーをいかに変換するかである．

ジェットの姿を解像しつつある．高エネルギーガンマ線のBH に降着した物質は土星のような円盤をつくり，重力エ

観測は BH より小さいフレアをとらえはじめており，数年ネルギーを解放する．しかし，そのままでは相対論的な（光後 に CTA（Cherenkov Telescope Array）が 感 度 を 約 10 倍 に

速に近い）運動をつくれない．解放したエネルギーを少量する．最近 IceCube が発見した高エネルギーニュートリノ

の物質にわたす必要がある．それを介するのが放射なのかは，ジェット起源の可能性もある．さらに，KAGRA など

磁場なのか，物質が陽子なのか電子・陽電子なのか，熱いが重力波を検出したときに，源である中性子星連星合体か議論が続く．最も有力な機構の 1 つが，ブランドフォード・らのショートガンマ線バーストを探索する連繋が進んでいツナジェック機構である．これは BH の回転エネルギーをる．ジェット研究の未来も明るい．
70 Challenges and Mysteries in Physics | 25

25

超高エネルギー宇宙線の起源は？

この宇宙は静かな環境ではまったくなく，粒子加速のよ論的にも観測的にも謎のままである．粒子を加速するには，

うな激しい現象が当たり前のように起こっており，極めてある領域に閉じこめたうえで少しずつエネルギーを与えて高いエネルギーの粒子も広く存在している．とくに 109 eV

いく必要がある．大きな領域に強い磁場を備えた環境が必を超える相対論的な粒子は，宇宙線と総称される．宇宙の要条件であるが，我々の銀河系にはそれが可能な天体は見

環境は粒子の密度が低く，エネルギーのやり取りをして熱つかっていない．おそらく銀河系外の，活動的銀河核とし的に緩和するには極めて長い時間がかかるため，これらはて知られる極めて活発な天体などが有力視されているが，必然的に非熱的なエネルギー分布をもつ．

観測例が多くないこともあり同定にはいたっていない．な宇 宙 線 の エ ネ ル ギ ー 範 囲 は 実 に 10 桁 以 上 に お よ び，

お，このように低いエネルギーの粒子を高いエネルギーへ

10 eV（16 J！）を超えるものの報告例すらある．これは現と加速させるという考え方は，宇宙線起源の「ボトムアッ

在の人工の加速器でつくり出せるエネルギーの約 1,000 万プ」モデルと総称される．他方，極めて大きな質量の未知倍であり，宇宙における最も激烈な現象と関連しているとの素粒子や暗黒物質が崩壊して超高エネルギー宇宙線とし考えられる．10 eV くらいまでの宇宙線は，超新星（大質て観測されるとする「トップダウン」モデルも議論されて量の星がその一生の最後に起こす爆発）の残骸で加速されきたが，最近の研究からは否定的である．

20

15ているという説が有力である．実際いくつかの超新星残骸

エネルギー 1020 eV の宇宙線の到来頻度は 100 km2 あたからは高エネルギーのガンマ線放射が観測されており，こり 1 年に 1 個程度と極めて小さく，観測には大きな検出面

れらは超新星残骸で加速された宇宙線と周辺の物質，また積と長い観測時間が必要である．1,000 km2 級の大きな有は宇宙電子と光子場との相互作用の結果生成されたと考え

効 検 出 面 積 を も っ た 国 際 共 同 観 測 が 推 進 さ れ て お り，られており，この説を間接的に支持するものである．

ニュートリノや重力波とともに，電磁波以外の観測手段に

しかしそれ以上のエネルギーへの加速は宇宙環境でも困難であり，そのような超高エネルギー宇宙線の起源は，理26 | 物理学 70 の不思議

よる新たな宇宙現象の探索がはじまろうとしている．

26

宇宙のあらゆる階層に広がる磁場の起源

いろいろなスケールの磁場の強さ

惑星，恒星，星間空間，銀河間空間といった宇宙のあらある．また，初期宇ゆる階層に，磁場が普遍的に存在することがわかってきた．

宙のインフレーショ

磁場は軸性ベクトルなので，左右を区別し，電子のスピン

ン時に，密度ゆらぎ

や軌道を回転させる．その結果スペクトル線の分裂や光のが銀河の種となった

偏光面を回転させ，この測定から遠方の磁場がわかる．さように，同様の機構

らに，高エネルギーガンマ線から対生成した電子・陽電子

で磁場も生成する可対に磁場が作用し，伝搬に遅延が生じる．これを精密に検能性がある．ただし，磁場と時空が結合する特別な作用を出した結果，最近では銀河間空間にさえも磁場があること考えなければならないし，十分大きな磁場が得られないながわかり，謎をよんでいる．

ど，困難な問題が残っている．

宇宙に見えている物質のほぼすべてはプラズマ状態にあ

もっとおもしろいのは，動的磁場の起源の謎である．たる．非常に伝導性がよいので，マクスウェル方程式に対しとえば地球の磁極は 1.6 億年の間に何百回と間欠的に反転て，オ ー ム の 法 則 か ら 電 場 を 消 去 し た 誘 導 方 程 式 B＝しているが，基礎方程式を大型計算機で正直に解いてもな∇×（v×B）＋ηΔB がよく議論される（流速 v，拡散係数 η）．

かなか反転しない．太陽も磁極反転を何万年とくり返して

ただし，この線形方程式は，既存の磁場をせいぜい増大さいるが，どの恒星にも普遍的な現象なのか謎である．

せる働きしかない．したがって，ゼロから新たにつくられさらに，磁力線は張力をもつので，磁力線方向の圧力 p

る磁場がどうしても必要である．磁場をつくるには電場やは負であり（ p＝−ρ，エネルギー密度 ρ > 0），これは暗黒電流が不可欠である．もし電子とイオンの異なる運動があエネルギーの 1 次元版である．この磁力線がつなぎ変わる

れば，ミクロな電流からミクロな磁場が生じる．これが正ことで解放されるエネルギーはマクロなスケールにおよび，

負電荷の運動をさらに分離してマクロな磁場をつくってい突発的で絶大である．太陽のフレア，コロナの加熱など，く，という正のフィードバックが何段にも機能する機構が磁場が示す活動は多様で，多方面に関連する謎は多い．
70 Challenges and Mysteries in Physics | 27

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太陽コロナはなぜ熱い？

太陽はほぼ黒体放射のスペクトルをもっており，表面の有効温度は約 6,000 K である．ガスの塊である太陽の表面（光球）は，それより外側では散乱が起こらず，光が自由に外に出ていけるようになる面，つまり最終散乱面として定義される．その中心からの距離，すなわち太陽光球の半径は約 70 万 km である．
太陽の大気に相当するものとしては，光球の外側に厚さ数千 km の彩層があり，温度は光球よりは若干低く 5,000 K

国立天文台/JAXA 提供

程度である．さらにその外側には，希薄なガスであるコロ

する形で，低い温度の表面から外側の高温領域へとエネル

ナが高度数万 km にまで広がっていて，その温度は 100 万ギーが運ばれているのである．これには電離したガス，すK を超えることが知られている．E＝kBT から，コロナは X

なわちプラズマと，そこに存在する磁場が深く関係してい線（！）を発することがわかる（図左：X 線望遠鏡「ひので」ると考えられている．磁場をともなうプラズマは，極めてで見た太陽とその大気）．星の形成や内部構造とその進化興味深い種々の現象を引き起こす．「磁気流体波動効果」を説明する天体物理学が大成功をおさめてきたのに対し，

や「磁力線つなぎかえ」の際のエネルギー放出機構などがなぜ外層大気であるコロナが太陽の表面や内層大気に比べ議論されており，磁場のエネルギーがそこでのプラズマ現てここまで高温なのかは，大きな謎のままである．

象，爆発現象などを通じて，何らかのメカニズムで熱に転何かを加熱するには，まずそこへのエネルギーの輸送が化されると考えられている．星がコロナをもち，これが高必要で，さらにそのエネルギーをそこにある物質（コロナ）

温に加熱されるのは普遍的な現象であることが，太陽以外の熱エネルギーに転化させる必要がある．エネルギー源はの星の X 線観測から知られており，理論と観測の両面か

太陽そのもの以外には考えられないが，熱力学の直感に反ら研究が続けられている．

28 | 物理学 70 の不思議

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惑星・衛星の起源―多様な惑星系はどのようにできたのか―

電磁気力（強さ k0）と不確定性関係からの斥力（最小作

し円盤に非一様な構造ができる．

用 ħ）がつり合って，電子と陽子（質量 me ，mp ，電荷∓e）か

これは自己重力不安定性を促すのらなる原子たちが，その物体自身の重力（強さ G）で球状

で，惑星ができるきっかけとなる/ e Gk0 mp me）≈ 10 mになった構造が惑星で，大きさは  （かもしれない．惑星の起源は依然程度である．生まれたばかりの恒星のまわりに塵やガスか大きな謎である．

2

7

らなる円盤ができ，このなかで惑星たちが誕生する．この

一方，太陽系の惑星は多様な個ような惑星系が近年多く見つかり，我々の住む太陽系は特性をもつ．岩石の惑星，ガスの惑

別ではないことがわかってきた．
では惑星はどのようにできるのだろうか？

円盤のなか

原始惑星系円盤おうし座 HL 星
（ALMA）．日本物理学会誌 72
巻 2 号表紙より

星，氷の惑星が並んでいる．天王星の自転軸は公転面と平行で，金で塵が静かに沈殿・合体し，最後は薄い層になって一気に星は反転している．さらに系外惑星系の個性はこの比では自己重力で固まり微惑星ができる，というのが古典的描像ない．大離心率，中心星大接近惑星，逆公転惑星，連星でである．しかし，原始惑星系円盤は乱流状態にあることがの惑星系，もはや何でもありである．これらの多様性の謎指摘されており，静かに沈殿できない．この場合，乱流中は，中心星の誕生と深く関係する惑星系の起源から解明すで逐次合体して成長するしかない．それでも帯電していれべき根本的問題だろう．

ば合体は阻害されるし，ある程度成長しても衝突破壊によ

我々は現在，地球上の生命しか知らない．生命と進化のり成長が阻害される．仮に成長したとしても 1 m くらいに母体である惑星が宇宙に普遍的に存在すれば，我々が誕生なると，ガスの抵抗により 100 年ほどの短時間で中心星にし進化した過程をもう一度見ることができる．そして宇宙落ちてしまう．成長途中にいくつもの障害があり，逐次合のなかで我々は孤独ではないことがわかるだろう．多種多体も難しい．そもそも塵などの粉体の基礎方程式がわかっ

様な惑星を観察することによって，いまだ謎である生命がていない．一方，磁場がかかわると途端に集団運動が発生

発生し進化するための条件が明確になるだろう．
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核融合エネルギー発電は実用化するか？

数十億年もの間，太陽が輝き続けるためには，強力かつ磁場核融合

レーザー核融合

持続的なエネルギー源が必要である．太陽のような高温・
高密度のガス球は，光を放出して温度が冷えれば圧力が下がるため，重力により収縮する．この収縮で解放される重力エネルギーで輝いていると考えられたこともあったが，それでは太陽の寿命は数千万年ということになり，すでに放射性元素を用いて推定されていた地球の年齢と矛盾した．
1915 年，水素の原子核 4 個はヘリウム原子核よりもわず

大阪大学レーザーエネルギー学研究センター提供

かに質量が大きいことがわかった．そのため水素の原子核陽」というキャッチフレーズで端的に紹介される．原子核

4 つが核融合してヘリウムの原子核 1 つに変われば，そのをビームにして互いに衝突させる方法では，ビームを十分質量差から E＝mc だけのエネルギーが発生するはずだ．太高密度にできないのでうまくいかない．高温・高密度プラ

陽の内部は，正の電荷をもつ原子核と負の電荷をもつ電子ズマを実験装置内で生成し，核融合反応を長時間維持するが分かれたプラズマ状態になっている．はじめは，陽子間必要がある．現在ではおもに，超伝導コイルによる高磁場のクーロン力に打ち勝って核融合が起こるには，内部の熱中でプラズマを閉じこめる方法と，高出力レーザーを用いエネルギーでは低すぎると反論された．その後，量子力学がて燃料を爆縮させる方法の 2 つが研究されている．

2

発展して，原子核を所定の距離に近づければ，量子トンネル

現状，磁場閉じこめ方式の 1 つであるトカマク型では，効果で核融合反応が所定の確率で起こることがわかり，こ原理実証（科学的実証）を終了し，工学的実証段階（持続れこそが太陽のエネルギー源だと考えられるようになった．

的核融合反応の実証）にある．レーザー方式では，核融合

1950 年ごろ，この核融合反応を制御して発電炉をつく

炉の選択肢を拡げる観点から，学術研究に重点をおいて研ることが提案された．この核融合炉計画はよく「地上の太30 | 物理学 70 の不思議究を推進している．

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乱流は難しい？

自然界には，流れはいたるところに存在する．これらの流れのなかには，時間・空間的に複雑なふるまいをするもする．これは，初期条件に対する鋭敏な依存性の原因にもなっている．

のが多く存在する．これらは一般に，流れの場を代表する

乱流のシミュレーション解析では，これらの特徴をとら無次元数であるレイノルズ数の値によって特徴づけられる．

えるために，非定常計算を行う必要がある．また，現実をレイノルズ数が比較的小さい場合には流れは規則的な層流正しく再現するためには非常に細かいメッシュにわけた計であるが，レイノルズ数が極めて大きい流れは乱流とよば算が必要となり，比較的小さいレイノルズ数の流れでも，れ，複雑な模様をつくり出す．

ワークステーションやクラスター環境では計算資源がたり乱流はいたるところに存在するうえ，実態を把握するこず，スーパーコンピュータで行っているのが現状である．

とが難しく，統計力学・流体力学のおもな研究分野の 1 つ

層流と乱流のいずれの流れの形態が実現するかは，流れとなっている．巨大な空間スケールの乱流の例として，天を引き起こす要因や環境条件に複雑に依存する．乱流のも体表面の大気がある．一方，核融合プラズマもまた乱流のつ強い混合性には，物質の拡散や混合の強化といった歓迎一例であるが，ここでは電磁力が主たる役割を果たす．乱される側面と，管内流や高速物体の摩擦抵抗の増大など厄流が，高温プラズマの容器への閉じこめを，容易ならざる介な側面が併立する．そのため，乱流を増強するか抑制すものにしているのだ．

るか，場合に即して制御できれば，人類への貢献ははかり

乱流はさまざまな特徴をもつが，乱流のつくり出す代表知れない．また，乱流に対して長時間にわたって平均をと的な構造が渦構造である．乱流は，平均流とよばれる時間

ると，普遍的な統計法則が現れる．乱雑な運動のなかに，的に平均された流速分布に，いろいろなスケールの渦運動

普遍的な法則がひそんでいるのである．乱流のこの謎を解が不規則に重ね合わさったものと考えることができる．まき明かすことも，研究者の夢の 1 つである．

た，不規則性も重要な性質である．乱流中では流速，圧力，
温度などの物理量が，時間的にも空間的にも不規則に変動
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量子電気力学はどこまで正しいのか？

量子電気力学（QED: Quantum Electro-Dynamics）の基礎

水素原子のエネルギー準位は，非相対論的量子力学の厳的研究に対して 1965 年，朝永振一郎ら 3 名にノーベル物

密解では，主量子数 n＝2 の状態が 4 重（スピンも含めると理学賞が与えられた．QED は，電荷をもつ粒子間には光8 重）に縮退しているが，水素原子に対するディラック方子をやり取りすることで電磁相互作用が働くとする場の理

程式の厳密解は，全角運動量 j が 1/2 と 3/2 の，それぞれ 4論で，相対論的量子力学（ディラックの電子論）では理解

重に縮退した状態に分裂する．QED では j＝1/2 の状態ができない，いくつもの現象を説明することに成功している．

さらに軌道角運動量の異なる 2S1/2 と 2P1/2 に分裂し，この 2

精密さという観点で，QED はこれまでに人類が手にしたつの状態のエネルギー差はラムシフトとよばれている．水

究極の理論といわれている．実験によって測定できる現実

素原子におけるラムシフトは小さな値でしかないが，およの事象と，人間のつくり出したモデルである理論を比較す

そ原子番号 Z の 4 乗に比例して大きくなるため，重元素のることは，理論の限界を診断する重要な仕事であり，QED

多価イオンを用いた可視分光や X 線分光による，ラムシ

は人類の叡智を検証するのに最も適した理論といえる．

フトの精密測定が行われている．ただし，測定値と QED

ディラックによれば，電子の磁気モーメントの大きさは，ボーア磁子という基礎物理定数のちょうど 2 倍になるはず
で，この値は電子の g 因子とよばれる．しかし，g 因子のによる計算値は，それぞれの精度の範囲でいつも重なっており，不一致が見られた例はこれまでのところ 1 つもない．
では，QED は正しいのだろうか？

論理的に内部矛盾

実測値も QED による理論計算値も，2 より 0.1% ほど大きがなければ正しい理論といえる．しかしそれは，自然を説

く，異常磁気モーメントとよばれている．最先端の実験で明できることを保証してはいない．QED にほころびが見は，静磁場と静電場によって荷電粒子を小さな空間に閉じ

つかり，まったく新しい物理理論が必要になることを密かこめるペニングトラップを用いて，12 桁もの精度が達成に期待しながら，高精度測定への挑戦は続いている．

されている．QED による理論計算の精度も同じ桁に達しており，ここでは破綻は見られていない．
32 | 物理学 70 の不思議

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どこまで正確な時計をつくれる？

現在，物理量の単位として国際単位系（SI）の使用が標秒を決定する．光格子時計

準となっており，長さ（m），質量（kg），時間（s），電流（A），

は原子間衝突が抑制され，温度（K），光度（cd），物質量（mol）の 7 つが基本単位となっまたマイクロ波より周波数ている．これらのうち，基準となる大きさが最も高精度にの高いレーザー光を用いて決定されているのが時間である．1 秒の決定には，1956 年

い る た め，Cs 原 子 時 計 にまでは地球の自転速度を用いていたが，その後 10 年間ほ

比べ 3 桁以上の精度向上がど地球の公転速度を用い，1967 年からは Cs 原子時計が採可 能 で あ り，現 在 18 桁 の用されている．Cs 原子時計では 1 秒を，Cs 原子と相互作精度が確認されている．

東京大学香取研究室提供

用するマイクロ波の周波数（約 9.2 GHz）で定義する．最光格子電場の 4 次の寄与による超分極効果や，原子の多高精度の Cs 原子時計は，レーザー冷却した原子集団を上重極相互作用の効果を制御して，19 桁の精度をめざす研

方に打ち上げる「原子泉方式」を用いたものであり，1 秒

究が進行している．また，光格子時計の技術を多種の原子を 15〜16 桁の精度で決定できる．これは 3,000 万〜3 億年に適用して比較し，精度を向上させることも重要である．

に 1 秒程度しか狂わない時計に相当する．

18 桁の精度の時間標準（周波数標準）が利用できるよう

Cs 原子時計の開発後も，さらなる精度向上をめざしてになると，地表での数 cm の高低差による一般相対論的効研究が進められてきた．現在最も有望な次世代の方式は，

果（時間が進む速さの違い）を検知できる．これは光格子

日本発の技術である光格子時計である．光格子時計は，時計が，曲がった時空間を探索するプローブになりうるこ

レーザー冷却した Sr や Yb 原子を，レーザービームを交差とを意味する．原子時計の高性能化は，時間標準の高精度させ形成した光格子のサイトに単独で捕獲する（図）．そ化への貢献のみならず，新しい物理の探索にも寄与する可して原子とプローブレーザー光を相互作用させ，原子の特能性がある．

定の光学遷移にレーザー周波数を固定し，これをもとに 1
70 Challenges and Mysteries in Physics | 33

33

実験室で超新星爆発をシミュレート？

ボース・アインシュタイン凝縮（以下 BE 凝縮）は，レー

力から引力に急激に変えることができる．引力相互作用すザー，超伝導，超流動を引き起こす基本メカニズムであり，る BE 凝縮体は重力崩壊のごとく収縮し，不確定性原理に

ボース統計にしたがう多数の粒子が 1 つの量子状態をとる

よる運動量の増大により爆発する．現実の超新星爆発と同現象である．原子気体の BE 凝縮体は，原子を絶対零度付様，多数の原子が飛散した後に，中性子星に対応する小さ

近まで冷却できるレーザー冷却技術の発展によって，1995

な BE 凝縮体が残る現象も観測されている．恒星と BE 凝

年にルビジウム原子（ Rb）気体で実現された．現在では

縮体の爆縮は物理過程が異なるが，今後の研究の進展によ

10 種以上の元素で BE 凝縮体が生成されている．

り，爆縮過程の普遍性が見出されるかもしれない．

87

その特徴は，光や磁場などを用いて，原子の内部状態やほかにも，ディラックが予言した磁気単極子に相当する

原子間相互作用の強さ，運動状態を容易に操作できること

磁場分布状態の実現や，宇宙マイクロ波背景放射のゆらぎにある．BE 凝縮体は，観測や実現が難しかったり，非常のシミュレーションなど，多数の実験が行われている．まに複雑だったりする物理現象や状態を純粋に発現できる，た，ホーキングが提唱したブラックホールの蒸発や，真空単純で制御しやすい量子系である．つまり，理想的な量子中で加速度運動する観測者が黒体放射を観測するとされる（物理）シミュレータといえる．

ウンルー効果を検証できる可能性が理論的に提案されていBE 凝縮体の量子シミュレータとしての活用例の 1 つが，る．

重力崩壊型超新星爆発と類似した爆縮現象の実験研究であ一方，極低温原子系としては，イオン原子や，半整数ス

る．重い恒星では，核融合反応が進み自重に耐えられなくピンをもつ原子集団のフェルミ縮退系がある．これらも優なると重力崩壊を起こし，その反動による衝撃波で星を構れた量子シミュレータであり，物性物理や素粒子物理，宇成している物質が吹き飛ばされると考えられている．これ

宙論，宇宙物理，そして量子情報など，多方面への展開がと類似の内力による爆縮現象を引き起こすことは簡単では期待できる．

ない．BE 凝縮体では磁場によって，原子間相互作用を斥
34 | 物理学 70 の不思議

34

量子力学の不思議を実験的に検証する

量子力学を学んでいくと，さまざまな仮説，解釈，要請

ギーの間の不確定性関係は，原子や原子核の励起状態の寿に遭遇する．それらを不思議だなと思いつつも先に進み，命と放出エネルギー幅の関係そのものとしてよく知られて数理体系の華麗さや予言力のすばらしさを知っていくうち

いる．トンネル効果も，それを利用した検出器や顕微鏡がに，当初の不思議は心の奥にしまいこまれてしまう．量子実用化されているほどであり，問題が残っているとしたら力学が成立したころは，「不思議な仮説」の検証はどれも理論と実験の精度の比較くらいである．

難問であったが，1 世紀にもわたる取り組みによって検証できるようになってきた．

最後に残された未解決問題は，1935 年にアインシュタイ
ン，ポドルスキー，ローゼンが提起した EPR パラドックス

電子や中性子にとどまらず，原子や分子，さらにそのクに代表される「観測問題」であろう．このパラドックスはラスターでも波動性を示すことは，これらの粒子ビームのベルの不等式によって，局所実在性が正しいかという問題

回折・干渉の実験で明らかであり，疑う余地はない．それに還元され，実験で検証できることが示された．そしてでも 1989 年に外村彰らが行った 2 重スリット実験による1982 年，レーザーで励起した原子からの発光を観測したア電子 1 粒子の干渉や，1997 年のケターレらによる 2 つの冷スペの実験によって，局所実在性が否定され，量子もつれ

却原子団の自由落下における多粒子系での干渉のように，（エンタングルメント）が実証されることになった．

波動性が干渉パターンとして直接的に示されてしまうと感動を禁じえない．

次なる目標は，「波束の収縮」を理解することであろう．
近年めざましく発展している量子情報理論と実験の進展に

また，ハイゼンベルクのガンマ線顕微鏡という思考実験

よって，射影仮説，つまり波束の収束ではなく，観測するで最初に紹介されることの多い不確定性原理は，小澤正直

たびに世界が分岐するというエベレットの多世界解釈に収によって精密化され，その新しい定式化は 2012 年に中性

斂するかもしれないが，議論は分かれている．

子スピン測定実験で確かめられた．また，時間とエネル

70 Challenges and Mysteries in Physics | 35

35

盗聴不可能な通信は可能？

現在，多くの人にとってインターネットは日々の生活になくてはならないものとなっている．利用者は政府機関や企業といった大きな組織から個人まで多岐にわたっており，
情報通信における安全性（盗聴や改ざんを防ぐこと）は非常に重要である．さらに，今後はゲノム情報など，長期間秘匿性を保つ必要のある情報のやり取りも行われるようになると考えられる．しかし，現在広く用いられている公開者が知ることができる情報量の上限を決定するのに用いる

鍵暗号の安全性は，解読に膨大な計算時間が必要であるとことができる．すなわち，受信者が受け取る量子状態の変いう事情に頼っている．そのため将来，アルゴリズムや量化を監視することにより，盗聴を検知することができる．

子コンピュータの進歩によって，現状のコンピュータではそして，理論的に見積もった盗聴者の知りうる情報量の上何年もかかる暗号解読も，一瞬で行えるようになる可能性

限をもとに，送受信者が共有しているビット列を短縮（秘がある．

匿性増幅）して生成した秘密鍵は，盗聴が不可能である．

そこで，未来永劫にわたって秘匿性が保障できる通信方

量子暗号装置はすでに市販品もあり，日本でも東京都心法の開発が盛んに行われている．それが量子暗号である．

と小金井市間を結ぶ光ファイバー網などで量子暗号通信を

量子暗号は，量子力学の基本法則に基づいて，第三者の知行う「東京 QKD ネットワーク」（QKD: Quantum Key Distri-

らない秘密鍵を，情報の送信者と受信者が共有する技術でbution）が試験運用されている．普及のために標準化やコある（量子鍵配送）．これは，量子力学的な観測の理論を，スト低減などの努力が払われている一方で，基礎的な研究協力し合う送受信者と，彼らに敵対する盗聴者という関係

でも，ベルの不等式を利用して装置の不完全性を補う方法，

性に適用したものである．このとき，盗聴者の観測によっ

もともと盗聴できない暗号方式，長距離化のための量子中て生ずる情報の運び役である光子などの状態変化を，盗聴継技術など，さまざまな研究が活発に行われている．

36 | 物理学 70 の不思議36

量子コンピュータは実現するのか？

私たちがいま使っているコンピュータは，情報を 0 と 1

適化問題は，統計力学のイジング模型におけるエネルギーで表現して計算を行っている．そこに，0 と 1 の量子力学

最適化問題としてとらえ直すことができる．このイジング

的重ね合わせ状態も導入することで，超高速に計算を行う

模型（Sz のみの模型）のハミルトニアンに，横磁場などのコンピュータが量子コンピュータである．1994 年に因数非可換な演算子（Sx など）を導入すると，量子ゆらぎによっ

分解を高速で行う量子アルゴリズムが発見されたことを契てエネルギー最適化が大幅に加速することが知られている．

機に，量子コンピュータの研究は一気に加速した．それか

これが「量子アニーリング」である．この手法は，数年前にら 20 年が経過したが，現在の状況はどうだろうか？

ベンチャー企業が量子アニーリング型コンピュータを発売

当初提案された量子コンピュータは，0 と 1 の重ね合わしたことで，一躍有名となった．いまのところ，この手法

せが可能な量子ビットを多数用意して，量子状態をユニタで高速に解ける問題は小規模なものに限られており，今後，リ演算（量子論理演算）によって操作する，ゲート演算型

実用的な大規模問題を解けるかどうかが鍵となってくる．

とよばれるタイプである．ゲート演算型量子コンピュータ

現在，量子コンピュータの研究は，海外の多くの企業がは，超伝導素子を用いた実装で，現在，9 量子ビットの演研究開発に出資するなど，応用研究がクローズアップされ算まで実現している．量子誤り訂正などの実装も含め，実ている．その一方で，物理学として残された課題も多い．

用には 10 〜10 量子ビットの動作が必要となるため，今後

まず，ノイズに頑強な量子ビットを集積化するためには，さらなる技術の進展が必要である．超伝導素子以外の系で基礎研究の視点から何らかのブレークスルーが必要である．

の実装も議論されており，集積化に有利な固体素子に限っ

また，上述した 2 つのタイプ以外に，量子コンピュータのても，ダイヤモンド中の欠陥，シリコン量子ドット，同位

賢い実装法があるかもしれない．人類が莫大な自由度をも体シリコンの核スピンなど，多くの系が研究されている．

つ量子状態を自在に操ることをめざしていく途上で，物理最近になって，まったく異なるアプローチが着目されて学に重要な新概念がもたらされることを期待している．

58いる．一般に，巡回セールスマン問題などの組み合わせ最70 Challenges and Mysteries in Physics | 37

37

素粒子と物性の不思議な関係

素粒子と物性では，対象とする系も違えば，計算や実験の手法も大きく異なる．しかし，物理学の歴史をふり返ってみると，この 2 つの分野には不思議な交流があることがわかる．たとえば 1960 年代，物性分野で 2 次相転移近傍の臨界現象が，粗視化やスケーリング理論などの手法で盛んに研究された．これらを素粒子分野の「くりこみ群」の理論で自然に記述できることがウィルソン（K. G. Wilson）
により指摘され，現代的なくりこみ群の理論へと発展した．
また同じころ，物性分野で超伝導の理解が進みつつあり，

素粒子分野
くりこみ群

漸近的自由

物性分野
相転移臨界現象

自発的対称性 ヒッグス機構（素粒子の破れの質量の起源）

秩序相（磁性・超伝導
・誘電体）

トポロジー

モノポール、量子異常
インスタントン
位相的場の理論

量子ホール効果
トポロジカル絶縁体
アンダーソン局在

AdS/CFT対応

量子重力理論、QCD
超対称性ゲージ理論
ブラックホール

強相関系の臨界現象
・非平衡特性
量子もつれ

対称性の自発的な破れが議論されていた．これが真空でも実現しているのではないかと指摘したのが南部陽一郎であや分類理論などの研究で必須の道具となっている．さらに，る．この指摘は，ヒッグス機構の発見のきっかけとなった．

クォーク・グルーオン・プラズマなどの高密度クォーク物

素粒子と物性の間に交流があるのは，「場の理論」とい

質における物理現象には，強相関電子系で生ずる多体現象

う共通の言語を有しているからである．そして，素粒子とと共通する側面があり，今後交流が増えるかもしれない．

物性の交流は現在でも続いている．たとえば素粒子分野で素粒子では物事をなるべく少数の原理から統一して説明

は，ゲージ場の理論と重力理論との対応関係（AdS/CFT 対しようとし，物性では物質の多様性に向き合った研究がな

応）が盛んに議論されているが，これを物性分野で強相関される．このように対照的な分野間の交流は，双方にとっ系の非平衡現象や量子もつれの評価へと応用する研究がなて，思いもよらなかった斬新な視点をもたらすことが多い．

されている．またトポロジーに関する場の理論の手法は，今後も素粒子と物性を行き来することで，物理学のブレー

量子ホール効果やトポロジカル絶縁体における非可換統計

クスルーが生まれることを期待しよう．

38 | 物理学 70 の不思議

38

フェルミ粒子系の数値計算はなぜ難しい？―負符号問題―

フェルミ粒子の集団の基底状態・熱平衡状態を求めるこ

格子点数 N が大きくなるにつれて，頻度 p＋，p−が拮抗するとは，あらゆる分野で遭遇する問題である．物性では強相ようになり，期待値の分子・分母がともに 0 に近づく．この関電子系の問題がその典型であり，原子核や量子色力学

とき，一定の精度で期待値を得るには，分母・分子を極めて（QCD）の分野でも重要となる．当然ながら厳密に解こうと高精度で求めなければならなくなり，計算時間が N の指数

すると，すぐに困難に直面する．たとえば，N 個の格子点関数に比例するようになる．つまり，「元の木阿弥」である！

上を動くフェルミ粒子系の基底状態を求める問題は，N の負符号問題は量子モンテカルロ法が確立した当初から知指数関数に比例する次元の行列の固有値問題となるため，られている根深い問題である．しかし，不思議な（困った）たとえ計算機が 10 倍速くなっても計算可能な格子点はたことに物理的におもしろい現象が期待される模型では，たかだか数個しか増えない．ゆえに，何らかの「賢い」計算

いてい負符号問題が生じる．どうにかしないといけない．

手法が必要である．その 1 つが量子モンテカルロ法である．

まず，模型に応じてアルゴリズムを改良し，確率が負にな

量子モンテカルロ法は，波動関数の振幅を確率と解釈し，る頻度を減らす研究が地道に行われている．一方で，「な和を厳密に評価する代わりに確率過程に置き換えて重要な

ぜ数値計算が難しいのか？」を深く考察すると，新しい計寄与のみを足し上げる手法である．これは多くの物理系で算手法のヒントが得られる．最近になり，系全体にわたる

有効な手法で，うまくいけば大きな系の数値計算が可能と「量子もつれ」が計算の困難さと深く関係していることがなる．しかし，フェルミ粒子系では，確率と解釈すべき量（確

わかってきた．この知見をもとに，「テンソルネットワー

率重み）が負となる問題がしばしば生じる．これを「負符号ク理論」とよばれる新しい数値計算手法が開発され，活発問題」という．負符号問題が生じても，確率重みが正およびな研究が行われている．フェルミ粒子系の強力な数値計算

負になる頻度 p＋，p−を集計し，それぞれで物理量の期待値手法はまだまだ必要とされており，斬新なアイデアによる

A＋，A− を求めておけば，A＝（ A＋p＋−A−p−）（/ p＋−p−）にブレークスルーが強く望まれている．

よって最終的な期待値 A を求めることができる．ところが，70 Challenges and Mysteries in Physics | 39

39

マヨラナ粒子の尻尾をつかめ！

物質を構成しているフェルミ粒子（電子・陽子・中性

クーパー対を組んで凝縮している状態にある．超伝導体の子）には，その相方となる反粒子が別の粒子として存在す

励起状態として，「電子」を 1 つ加える励起だけでなく，そる．たとえば，電子の反粒子として陽電子が存在し，電子の反粒子にあたる「正孔」（ホール）を 1 つ加える励起も可と陽電子は異なる粒子である．しかし「粒子と反粒子の区能である．「正孔」はまわりのクーパー対から電子を 1 つ

別がつかない」変わり種のフェルミ粒子が，理論的に予言奪って対消滅し，「電子」を 1 つ残すことができる．また，されている．イタリアの科学者マヨラナ（E. Majorana）がその逆過程も可能である．つまり超伝導体中では，「電子」

1937 年に存在を予言したマヨラナ型フェルミ粒子（マヨラと「正孔」は互いに変換し合うことができる．このとき，

ナ粒子）である．予言から 80 年近く経ったいまでも，マ粒子（電子）と反粒子（正孔）が区別できない状態が出現しヨラナ粒子はいまだ発見されていない「幻の粒子」である．

てもよい．実際にはマヨラナ粒子の出現にはいくつかの条

マヨラナ粒子はもともと，ニュートリノを記述するため件が必要だが，トポロジカル超伝導体とよばれる特殊な超に提案された．標準模型では，ニュートリノは質量ゼロの伝導体の表面や渦糸中であれば，マヨラナ粒子が出現して粒子と反粒子が区別できるフェルミ粒子として取り扱われもよいことがわかっている．このマヨラナ粒子は，超伝導ている．しかし，発見されたニュートリノ質量（2015 年の体がもつ非自明なトポロジーによって保護されているため，ノーベル賞！）の小ささから，ニュートリノがマヨラナ粒

外部からの擾乱に対して安定であり，粒子を交換するとき子である可能性は高い．もしそうなら，二重ベータ崩壊にに非可換統計にしたがうというおもしろい性質をもつ．マ

際してニュートリノが放出されない現象が観測されるはず

ヨラナ粒子が出現する物理系は複数提案されており，実際だが，まだ観測例はなく，現在も実験研究が盛んに行われにマヨラナ粒子を観測したという実験結果もいくつか報告ている．

されているが，詳しい検証はこれからである．

意外なことに超伝導体のなかにも，マヨラナ粒子と同じふるまいをする状態が存在する．超伝導体は 2 つの電子が40 | 物理学 70 の不思議

マヨラナ粒子はどんな形で発見されるだろうか？

素粒

子・原子核・物性の各分野で，熱い探索競争が続いている．

40

還元と創発―物質世界のとらえ方―

物質を分割しどこまでも小さくしていくとき最終的にどなれど，物理学という同じツールを用いるなかで驚くほど

こに行きつくか．素粒子物理学に代表されるこういった物

似た概念に到達する場合がしばしばある．たとえば，超伝質に対する世界観は要素還元主義的アプローチとよばれ，導の BCS 理論が記述するゲージ対称性の自発的破れの考

物理学の成功の一側面を支えている．

え方が，南部陽一郎によって素粒子物理学にもちこまれ，

これらが「どこまでも小さく」への挑戦とすれば，物性ヒッグス機構につながった．また，金属中の磁性不純物で物理学は「どこまでも多く」への挑戦といえるだろう．固生じる近藤効果の非摂動性が，量子色力学での漸近的自由体物質中にはアボガドロ数（1023 個）程度の電子があり，性と対応することも知られている．

同じ数のシュレーディンガー方程式を解き全電子のふるま

物理学の魅力の 1 つは，実験から帰納的に推論を重ねる

いを解くことはできないし，また意味がない．物性物理学

一方で，数学的援用を受けながら演繹性，予言性を獲得しにおいては，多粒子系としての電子のふるまいの理解を通うることだろう．では，複雑に組織化された多粒子系を扱じて物質の機能を演繹的に理解する．物質世界へのこうう物性物理学は，その演繹性の先に何を見るだろうか？

いったアプローチをアンダーソン（P. Anderson）は More

個々の基本要素の総和としてではなく，システム全体としis different（多は異なり） という言葉で明快に表現した．

て思いもよらない性質が発現することを創発という．これ

物質世界には「階層性」が存在する．長さとエネルギー

は近年，複雑系や生命科学を中心に強調される概念であるの両面で幅広いスケールにわたる自然を理解するためには，が，固体物質の新奇機能を求める際の指導原理になりうる．

階層に応じた物理を構成する必要がある．たとえば，固体

アンダーソンの提唱から 40 年以上経つ．Beyond More

中の電子は結晶の対称性にしたがったふるまいを示し，そis different の探求は，多粒子系の示す機能―different の正の物理法則は素粒子としての電子のものとは大きく異なる．

体―を解明する物理学を構築することにほかならない．こそれでもなお，「どこまでも小さく」「どこまでも多く」れからの実験的・理論的研究がどのような物質世界観を提は物理学において対立する概念ではない．アプローチは異示していくのか，興味は尽きない．
70 Challenges and Mysteries in Physics | 41

41

トポロジカル秩序と奇妙な励起状態

コーヒーカップを連続変形すれば，穴が 1 つあいた浮き系のトポロジー的な構造に依存する場合，そのような秩序

輪やドーナツ，つまりトーラスと同じだ，というのがトポをトポロジカル秩序とよぶ．たとえば球面上の系とトーラ

ロジーの見方である．連続変形しても変わらない穴の数は，

ス上の系は，トポロジーが異なるので連続的につながりよ

トポロジカル不変量とよばれる．不思議なことに，トポロ

うがなく，結果として縮重度が変わる．電子状態のトポロ

ジーの概念は物理系の基底状態の構造と，それに付随する

ジーと電子相関が，この秩序形成の要である．そして励起励起状態のあり方にも大きくかかわる．鍵となるのは状態

状態は分数電荷をもち，さらにはフェルミ統計でもボースが生まれもつ電荷である．電子やニュートリノ，ハドロン，

統計でもない分数統計（粒子交換の際に±1 以外の位相因

ゲージ粒子，ヒッグス粒子といった素粒子の電荷は，現在子が生ずる）にしたがうことが理論的に指摘されている．

のところすべて電気素量 e の 0 または±1 倍に量子化され分数電荷については実験的に確認されたが，分数統計性はた格好で自然界に現れる．

いまだ観測されておらず，挑戦的課題である．

ところが，である．固体中に棲息する膨大な数の電子か

このように，トポロジカル秩序自体は実験的に直視し難らなる系（多体系）の挙動を探求する凝縮系物理学においいのだが，そこからの励起に特徴が表れるのである．トポては，e の分数倍の電荷をもつ励起状態（粒子）が出現する．

ロジカル秩序と奇妙な励起の関係は分数量子ホール系以外

分数量子ホール効果とよばれる現象で現れる励起状態がそにも，スピン液体やボース・アインシュタイン凝縮系で見の代表だ．この分数化のメカニズムは，単なる要素分割とられる．さらに最近では，トポロジカル超伝導体の非アー

いう素朴な還元主義では汲みつくせない，多体系ならでは

ベル統計渦（粒子交換で非アーベル位相因子が現れる）のの豊かな構造を秘めている．励起状態は基底状態にエネル研究へと発展を続けている．非アーベル渦を用いた量子計

ギーを注入して生成される状態なので，基底状態の性質を算も脚光を浴びている．理論，実験，さらには工学的応用

直接反映する．ここにいたって，表題の「トポロジカル秩が組み合わさった，大変豊かな研究分野となっている．

序」という概念が登場する．一般に，基底状態の縮重度が42 | 物理学 70 の不思議

42

「観る」を極める

16 世紀までさかのぼる顕微鏡の歴史は，17 世紀のフッブ顕微鏡」と総称されていクやレーウェンフックによる微生物の観察から，2014 年

る．不導体の原子像や DNA

ノーベル化学賞の超解像蛍光顕微鏡へとつながっている．

など個々の分子の引っ張り

限外顕微鏡（1925 年），位相差顕微鏡（1953 年），ホログラ

強度の測定，磁区構造，磁フィ顕微鏡（1971 年），結晶電子顕微鏡（1982 年），透過電

束，表面電位，誘電率など

子顕微鏡および走査トンネル顕微鏡（1986 年）と，いく度を高い空間分解能で観測でとなくノーベル賞の対象となってきた．

きる．さらに，パルスレー

光や電子を試料に照射して，そこからの透過・散乱波をザーと組み合わせることでレンズで拡大して結像する従来型顕微鏡と違い，ビニッヒ

フェムト秒の時間分解能まとローラーらによって発明された走査トンネル顕微鏡

でも併せもち，種々のダイ（STM）は，レンズを使わずに原子分解能が得られるもので，ナミクスの測定も可能となってきた．

結晶表面での原子の並びと電子定在波が同時に見える STM 像（長谷川幸雄氏提供）．

人々を驚かせる画期的な発明であった．鋭くとがった金属

このような研究の流れは，静的な構造からダイナミクス

針（探針）を試料物質の表面から 100 万分の 1 ミリ程度ま観察へ，そしてデバイス動作や化学反応，生体機能発現ので近づけ，両者に電圧を印加したときに流れるトンネル電最中の観察（「オペランド観察」と総称される）へと力点が流を測定しながら，探針を横方向に走査する．トンネル電

移りつつある．そのためには，実環境下での観察と特性測流の変化として，個々の原子がパチンコ玉のように明瞭に定が要求される．形や構造を観察するだけでなく，機能や観察できる．江崎玲於奈らが実証したトンネル効果がこの特性を観察する顕微鏡，原子・分子レベルで何が起こってような形で顕微鏡に利用されるとは，当時誰が予想したか．

いるのか「実況中継」する顕微鏡ができるのではないかと

その後，探針と試料表面との間に働く微弱な力など，さ予想される．

まざまな信号を利用する顕微鏡が考案され，「走査プロー
70 Challenges and Mysteries in Physics | 43

43

アト物理―超高速現象にどこまで迫れるか―

19 世紀末，「走っている馬の 4 本の脚は，同時に地面を離れるか？」という多額の賞金がかかった問いに答えるた
め，カメラの高速シャッターが発明され，この技術が後の−15

映画撮影の礎となった．20 世紀後半のフェムト秒（10秒）レーザーの発展は，化学反応にかかわる短寿命遷移状
態を「時間を止めて」観測するフェムト化学の研究分野を切り拓き，1999 年のノーベル化学賞の対象となった．今日ではさらに速い時間スケールで起こる現象の時間分解をアト秒パルスを用 い て 励
起 し た H＋
2 中の電子波束
ダイナミクスを，光イオン化を利用して観測できるはず（理 論 計 算）．（F. Krausz
and M. Ivanov: Rev. Mod.
Phys. 81（2009）163 より許可を得て転載．©American
Physical Society）

めざす，「アト（10−18）物理」が幕を開けている．たとえば水素分子 H2 の振動周期は 7 フェムト秒であるのに対しる光パルスのスペクトル幅 ΔE は，100 eV 近くにも広がって，水素分子イオン H＋
2 中の電子は，約 180 アト秒ごとに 2てしまう．そのため，不確定性原理の「裏をかいて」高い

つの水素原子 H の間を「跳び移る」ことが予測される（図）．

時間分解能 Δt とエネルギー分解能 ΔE を両立させる，巧妙

このような超高速現象の実験的観測や制御を可能にするのな実験をデザインすることが課題となる．

が，アト秒の時間幅をもつ光パルスである．

図の例では，偏光（電場の方向）を適切に選んだ第 2 の現在のアト秒光パルスは，強力な近赤外域フェムト秒

光パルスで光イオン化を誘起し，電子の放出方向の非対称レーザーを希ガスなどの媒質に集光した際に，高次高調波性を計測することを提案している．アト秒の偏光を自由自として発生する真空紫外〜軟 X 線域のパルス列を利用し在に変調する技術が実現できれば，スピントロニクス研究ている．すでに 100 アト秒を切る光パルスが実現しているのためのアト秒磁場パルスとして使うことも夢ではない．

が，これほど短い時間領域では，ハイゼンベルクの不確定

真空紫外〜軟 X 線域の光パルス整形技術の発展にともな性関係が問題になってくる．時間幅 Δt が 100 アト秒を切い，アト物理の地平は着実に広がりつつある．

44 | 物理学 70 の不思議

44

透明マントはできる？―メタマテリアル―

物質のなかを光はどう進むのか？
いうことか？

物が見えるとはどう

多くの人が興味を引かれる話題であろう．

光は一様な物質のなかでは直進し，屈折率の異なる物質の物体

日本物理学会誌 70 巻 11 号，現代物 理 の キ ー ワ ー ド「屈 折 率 っ て何？」（迫田和彰）より間を通過するときは，スネルの法則にしたがって折れ曲がる．物質に屈折率の分布がある場合は，物質中のマクス
ウェル方程式にしたがい，屈折率の分布に応じた曲線を描くだろう．この分布を巧妙に調節できれば，光の進む方向

透磁率と誘電率のそれぞれの平方根の掛け算（掛ける真空を自在に操ることができそうだ．しかし，物質の種類と組の光速）で与えられ，光の進行方向を決める．一方，これ

み合わせは無数にあるとはいえ，それらを用いて思いどおらの割り算で与えられるインピーダンスは，光の反射の具

りの屈折率分布をつくるのは至難の技である．

合を支配する．これらの分布を同時に，そして巧みに調整

このような要求に応えてくれるかもしれない夢の物質が，すれば，図のように光が障害物を避けて透過するように仕

メタマテリアルとよばれる人工物質だ．これはある特殊な向けることも可能となる．これはまさに，『ドラえもん』

形の微小金属片を配列したもので，金属片中の電子が自由の「透明マント」にほかならない．少なくとも，波長や見に動けることを利用している．その形状と配列をうまく工る角度に制限はあるもののマイクロ波領域では図と類似の夫してやると，構造物の大きさや配列の間隔よりも波長が状況が実証されている．文字通りの「透明マント」に向け長い電磁波に対する誘電率と透磁率を「設計」することがてクリアすべき課題は多いが，実に魅力的なアイデアだ．

できる．我々の目に見える光も電磁波の一種なので，原理ほかにも「負の屈折率」などのおもしろい特徴をもつメ

的にはこのアイデアを応用できるというわけだ．
とくに透磁率を設計できるという点は，「メタマテリア

タマテリアルの開発が進んでいる．光を思いのままに操るための挑戦から目が離せない．

ルという考え方」のキーポイントとなっている．屈折率は70 Challenges and Mysteries in Physics | 45

45

マテリアルの性質を光で変える？―光誘起相転移の挑戦―

固体物質に入射した光子が多数の原子・分子の変化を生み出し，巨視的な構造変化や電子状態変化が発生する現象の探索も現在行われつつある．

は，「光誘起相転移」とよばれている．この現象のおもし

そのようなフェムト秒ス

ろさは，光励起状態が原子や電子の間に働く相互作用を介ケールでの電子相スイッチ

し，高い効率で多数の原子・分子の状態を変化させることの起源を調べる実験手法も，にある．その結果，物質の色や構造から，誘電性や磁性，

研ぎ澄まされてきている．

伝導といったエレクトロニクス機能まで，劇的な相変化を測定の時間分解能は，フェムト秒からアト秒（10−18 秒）に我々に見せてくれるのである．光による非接触なスイッチ

高速化されつつある．光電子分光，X 線や電子線パルスにング現象は応用上も重要であるが，温度変化や化学ドーピ

よる構造解析もフェムト秒スケールで行えるシステムが，ングでは見られない新たな物質相を開拓するという，従来世界中で競うように建設されている．理論的な取り組みもとは大きく異なる物性研究のアプローチを可能にした．

進んできており，光照射が系のハミルトニアンをどう実質

近年，光誘起相転移の研究は，フェムト秒レーザーの出的に変えているのかを計算する試みも行われている．これ

現によって新たな局面を迎えている．フェムト秒レーザー

まで静的な性質を調べることで進化してきた固体物理学は，−15とは，時間幅が 100 フェムト秒（1 フェムト秒は 10

秒）「時間軸」という新しい座標を得たことで，面目を一新し程度の光パルスに多数の光子が集中した強力なレーザーでようとしている．レーザー分光技術の進展をベースに実験ある．このような短パルス光は，温度換算で実に 1 万度にと理論が一体となり，新現象の発見とその理論的理解といも達するエネルギーを，原子や分子がひとゆれするより短う，現象論と知識の体系化の両面から，固体物理学の謎といわずかな間に集中して物質に与えることができる．このして残っているダイナミックな側面を理解していく，新し利点を生かし，フェムト秒スケールで状態のオン・オフがい挑戦が進行している．

できる究極の超高速スイッチ（ぺタヘルツ固体スイッチ）
46 | 物理学 70 の不思議

46

異質な物質同士の理想の出会いとは？

電子機器の心臓部ともいえるトランジスタは，n 型と p型の半導体（バイポーラトランジスタ），半導体と金属と絶縁体（電界効果トランジスタ）など，異なる性質の物質を組み合わせることで機能を発現させる．太陽電池，発光ダイオード，レーザーなど，ほかにも我々の身のまわりに異種の物質の組み合わせを利用した技術は多い．
固体が真空と接する「表面」については，走査トンネル
顕微鏡，光電子分光など，原子スケールの構造や電子状態

長させる方法がとられてきた．しかし，この方法は格子定数が近い結晶同士の組み合わせに限られ，また超高真空が必要なためコストも高くなる．

を観察する技術が確立され，表面が結晶内部とは異なる特

この状況を一変させたのが，導電性有機分子である．電有の性質を示す物理的なメカニズムもよく理解されている．

気的性質の異なる 2 種類以上の有機分子層を混ぜたり貼りこれと比べると，2 つの物質が互いに接する「界面」，とく合わせることで比較的安価に製作でき，一部は有機 ELに固体と固体が接する「埋もれた界面」は，直接観察する

ディスプレイや照明として実用化されている．その反面，手法が限られている．結晶格子間隔の不整合に起因する欠界面の原子構造の観測や制御が難しいという短所もある．

陥や，界面特有の原子結合が生じがちなこともあり，理解

無機界面と有機界面の長所を併せもつことをめざして，がはるかに遅れている．

最近では自己組織化を利用して，無機結晶の上に有機分子

シリコンをはじめ無機半導体の多くは，表面と結晶内部を秩序よく並べる「ハイブリッド」界面が注目を集めていとでは異なる原子構造をとるため，単純に 2 つの半導体表

る．新機能の発現をめざした新たな物質の組み合わせはも面を貼り合わせても，機能する界面をつくることは非常にちろん，埋もれた界面の原子構造や電子構造を非破壊で観難しい．従来は無機半導体結晶の基板の上に，別の無機半察するための新たな観察手法の開発にも，ブレイクスルー

導体結晶の薄膜をエピタキシャルに（配列をそろえて）成が期待されている．
70 Challenges and Mysteries in Physics | 47

47

スピンの流れを制御する―スピントロニクスの挑戦―

従来の半導体エレクトロニクスを超えて，「スピントロ

流が流れると，それに直交する方向に電場が生じる現象でニクス」とよばれる，電子のスピンの自由度を積極的に利ある．この電場により生じる電圧を測ることで，スピン流用したエレクトロニクスがホットな研究対象となっている．

の定量的な測定が可能となった．

この分野でいま，注目を集めている現象が「スピン流」で最近の研究により，強磁性体と金属を貼り合わせた接合ある．通常の「電流」は電荷の流れであり，ほぼ同数ずつ

系において，強磁性体スピンの集団運動（スピン波）をマ存在する上向きスピンと下向きスピンは互いに打ち消しイクロ波で励起すると（スピンポンピング），金属中にス合っている．それに対し，その数的なバランスが崩れると，ピン流が注入できることが発見された．また，光や熱，超スピンがつくり出す磁気の流れ，「スピン流」が生じる．

音波などの刺激により，スピン流がつくられる現象も続々

通常，物質中のスピン流は非常に短い距離で減衰してしと発見されている．とくに，磁性体と金属の界面に温度勾まうため，最近までスピン流に由来する物理現象は知られ配を導入したときに，金属にスピン流が注入される現象はていなかった．しかし，ナノテクノロジーの発展により，「スピンゼーベック効果」とよばれ，注目を集めている．

スピンが減衰する距離よりも短いスケールの素子の作製やさらに，トポロジカル絶縁体に電場をかけることで，スピ現象の観測が可能となり，スピン流がもたらす現象が相次ン流を取り出せることも実験で実証された．

いで発見されるようになった．スピン流は，電流といっ

電荷の流れをともなわないスピン流は，ジュール発熱がしょに流れる場合と，電流をともなわずにスピン流だけで抑えられるため，それによる磁壁や磁気渦の駆動，磁化反流れる場合がある．後者を「純粋スピン流」とよぶが，こ転といった現象を利用してデバイスをつくることで，圧倒れを効率的につくり出す研究が精力的に進められている．

的な省電力化が期待できる．また，スピン流の概念を足掛

その研究は，スピン流の測定原理となる「逆スピンホー

かりにして，スピントロニクスにおける新しい現象の発見

ル効果」の発見により急速に進展した．これは，スピン・や既知の現象の新しい理解が進むことが期待されている．

軌道相互作用の強い非磁性の金属や半導体の試料にスピン
48 | 物理学 70 の不思議

48

極限環境への挑戦―低温・高圧・強磁場―
それは，誰も到達

現在どこまでの極限環境が実現されているか，まとめてしていない未知の環境では，新しい物理現象が期待できるみよう．極低温については，ヘリウム希釈冷凍機を用いてからである．たとえば極低温技術の進展は，3 mK 以下に

およそ 2 mK までの冷却が可能である．さらに核断熱消磁

おける He（フェルミオン！）の超流動現象の発見へとつ

冷却法を用いて，電子系で 1 μK 程度（核スピン系だけであながり，物性研究に大きなインパクトを与えた．超高圧下ればロジウムで 0.1 nK）を実現している．高圧については，

では多くの単体が超伝導になるほか，水素が金属になり室

ダイヤモンドアンビルセル（DAC）を用いると，200 GPa

温超伝導体になるという理論予測すらある．また，ごく最程度までの超高圧を発生できる．最高記録は 2 段階 DAC

近発見された超高圧（150 GPa≒150 万気圧）下の硫化水素法による 770 GPa である（地球の中心部は 360 GPa）．強磁の超伝導は，現時点で最高の転移温度（203 K）をもつ．強場については，ダイナマイト爆縮法（1,000 T 以上）やレー

磁場下では，自由電子のサイクロトロン運動が量子化され，ザー爆縮法（4,000 T）などの発生法があるが，物性測定に新しい物理現象が現れる．たとえば 2 次元電子系では，ホー用いることは難しい．利用可能な方法としては，ライナー

ル抵抗が量子化される整数量子ホール効果や，分数の値にとよばれる金属筒を電磁誘導で圧縮し，磁束密度を高める

量子化される分数量子ホール効果が現れる．

電磁濃縮法があり，現在 730 T までの磁場を発生させるこ

人はなぜ極限環境に挑戦するのか？

3自由電子のサイクロトロン半径がフェルミ波長程度になると，フェルミ面が破壊されて新しい量子状態が出現するとができる（ちなみに現時点で最強の永久磁石であるネオ
ジム磁石の発生磁場は 1.6 T である）．

と期待されるが，その観測には 1,000 T クラスの超強磁場が人類が到達していない極限環境領域（極低温＋強磁場な必要である．地球など惑星の内部は超高圧であり，白色矮

どの多重極限を含む）には，未発見の新現象が待っている星や中性子星（とくにマグネターとよばれる高速回転コン

かもしれない．科学者は新現象を探索して，今後も未踏のパクト星）では桁違いの超高圧・強磁場環境が実現されて領域に挑戦し続けるであろう．

いる．これも極限環境の物理を研究する動機の 1 つである．
70 Challenges and Mysteries in Physics | 49

49

コンピュータで挑む物質設計

固体の性質を知る強力な方法の 1 つは，固体中の電子のき原子の数は莫大になるが，応用上重要な材料（電極材料，

シュレーディンガー方程式を直接数値的に解くことである．

表面触媒，鉄鋼，永久磁石など）はそのような大規模系でこのような計算は第一原理計算とよばれ，1960 年代に密あることが多い．

度汎関数法とよばれる基礎理論が整備されて以降，コン

これらの困難を解決すべく，現在さまざまな研究が行わ

ピュータの性能向上と相まって急速に進展した．いまではれている．第一原理分子動力学法と効率的な探索アルゴリ

公開されているソフトウェアを入手すれば，誰でも手持ちズムを組み合わせた物質探索が一定の成果をおさめつつあのパソコンで簡単な電子状態計算（バンド計算）が実行でるほか，より高精度・高速の計算手法や大規模系の超並列きる．この計算によって，固体中の電子の密度分布やバン計算手法が活発に研究されている．得られる莫大な量の計

ド構造がわかり，固体の重要な性質（格子定数，光学応答，算結果（ビッグデータ！）の整理も重要な課題であり，デー

磁性，誘電性，表面状態など）を評価することができる．

タベース整備とその活用も進められている．化学や材料工

このような計算手法の進展を背景に，物質の機能（たと学での物質設計と共通する課題も多く，将来はその境界領

えば触媒反応性や磁石性能など）が最適となる物質（構成

域に新しい分野が生まれるかもしれない．

元素および組成比）の探索が行われつつある．しかし，「元

ところで，計算機シミュレーションは機械学習や人工知素とその組成が与えられたとき，実験データを用いずに最能（AI: Artiﬁcial Intelligence）ととても相性がよい．物質機も安定な結晶構造を決定する」という基本的な問題ですら，能のよさが簡単に数値化できるときは，力まかせの物質探

最新のスーパーコンピュータをもってしても一般には解け索は強力な方法となり，その能力はいつか人間を凌駕するない．さらに実際の物質合成では，温度・圧力・元素組成

かもしれない（いま現在，将棋や囲碁でコンピュータが人に関する状態相図が重要になるが，その予測には多数回の間を打ち負かしつつあるように）．そのとき，人間は物質より高精度な数値計算が要求される．また，液体中の表面設計について何を考えるべきだろうか？

化学反応やメソスケールの構造をもつ系では，取り扱うべが楽しみでもあるし，怖くもある．

50 | 物理学 70 の不思議

30 年後の世界

50

金属と絶縁体のはざまに広がる豊かな物性

物性分野で取り扱われる物理量のなかで，電気抵抗ほど

A

伝導バンド

B

C

劇的に変化する量はほかにない．物質によって電気抵抗率
は，絶縁体（106 Ω cm のオーダー）から金属（10−4 Ω cm のオーダー）まで実に 10 桁以上も変化する．この違いは固体物理のバンド理論によってよく説明される．固体中の電子は原子核がつくる周期的ポテンシャルの影響により，バンドを形成する．もしフェルミ準位がバンド間のエネルギー

フェルミ準位価電子バンドギャップ中にあれば（図 A）物質は絶縁体となり，そうで外場のわずかな変化によって物性が大きく変わり，超伝導なければ（図 B）金属になる．電気抵抗率の劇的な違いは，や巨大磁気抵抗，外場誘起金属絶縁体転移などのおもしろ

絶縁体のエネルギーギャップ（数 eV のオーダー）が室温

い物性を示す．また新しい秩序相や量子凝縮状態が現れる（300 K≒0.03 eV）に比べて，十分に大きいことによる．

可能性も秘めている．

バンド理論は大きな成功をおさめたが，破綻する場合も最近になり，絶縁体でも金属でもない新しいカテゴリーある．たとえば図（B）でバンドのちょうど半分を電子がの物質系が注目されている．たとえば，グラフェン，分子占めたとき（half-ﬁlled という），バンド理論は金属を予想す

性導体，トポロジカル絶縁体の表面状態などでは，図 C のる．しかし，電子間のクーロン反発力がある程度強くなる

ようにフェルミ準位付近でバンドが線形分散をもち有効質と，電子は互いを避けようとして身動きがとれなくなり，量がゼロとなる状態が実現されている．この状況では，ス

各原子に局在して物質は絶縁体となる．この状態はモット

ピン・軌道相互作用により電子の運動とスピンが強く相関

絶縁体とよばれるが，その記述には電子の遍歴性と局在性

し，電場による磁化制御や光のカイラリティとの結合など，にまつわる多体問題をよく考える必要がある．モット絶縁

新しい物性が現れる．これらが物質にどのような新機能を体では，局在した電子が磁性の源になるほか，化学組成や与えるか，今後の物質開発の指針となる可能性がある．
70 Challenges and Mysteries in Physics | 51

51

超伝導の転移温度はどこまで上がる？

超伝導現象は 1911 年に水銀（転移温度 Tc＝4.2 K）ではじめて発見された．長らく超伝導の発現機構はわからなかったが，1957 年に発表された BCS 理論により明らかにされた．電子間にはクーロン斥力が働くが，もし電子間に引力があれば，2 個の電子がクーパー対とよばれる対をつくり，それが凝縮することで超伝導状態が発現する．BCS 理論
では，引力の起源は電子・格子相互作用にあるとされた．
電子が格子（イオン）をゆがませ，そこにほかの電子が来てゆがみを感じることで，有効的な電子間引力が生じる．

の縮退に起因する特殊な電子状態などが議論されている．

この発現機構をもつ超伝導体はたくさん発見され，10 年でこれらの研究に基づき，高い Tc の実現には磁気相互作

4 K というゆっくりとしたペースではあるが，順調に Tc の用が重要であると考えられた．一方，2001 年に発見された記録を伸ばしていった．しかし電子・格子相互作用は弱く，MgB2 は Tc＝39 K を記録したが，これは電子・格子相互作

Tc はせいぜい 30 K 程度が限界であろうと考えられていた．

用起源であった．また，2014 年に発見された超高圧下のそのようななか，1986 年に銅酸化物超伝導体が発見され，硫化水素にいたっては Tc＝203 K であり，これも電子・格

Tc の記録は一気に 164 K まで跳ね上がった．その発現機構

子相互作用起源と考えられている．いまや室温超伝導の実は現在でも完全には解明されていないが，電子間引力の起

現も夢ではない．

源が単純な電子・格子相互作用ではなく，スピン間の磁気

このように転移温度 Tc の劇的な上昇は，思いもよらな相互作用である可能性がある．また，2008 年に発見されたい物質群の開発によってもたらされることが多い．室温超鉄系超伝導体（Tc＝56 K）も，単純な電子・格子相互作用

伝導を実現するのは，どのような引力機構をもつ，どんなでは説明できない．磁気相互作用や，鉄原子軌道（d 軌道）

物質なのか．今後の研究が楽しみである．

52 | 物理学 70 の不思議

52

銅酸化物高温超伝導体―30 年来の未解決問題―

伝導転移温度が 30 K（La2−x Ba x CuO4）や 90 K（YBa2Cu3O7）で超伝導状態を記述するのに有効と考えられてきた BCS
理論では，電子・格子相互作用を起源とする超伝導の転移

る異常な温度依存性

温度は高くてもせいぜい 30 K 程度であると考えられていたため，この結果は驚くべきことであった．これらの物質群に共通の特徴として，（1）結晶構造に銅と酸素からなるをもつ，［2］金属中

異常金属相のスピンゆらぎが顕

反強磁性
絶縁体

と，既知の超伝導体に比べ高いことが注目された．それま温度

銅酸化物高温超伝導体は 1986 年に発見された．当初，超著 に 抑 制 さ れ る，
［3］微視的スケール
で電子状態が不均一

超伝導
モット絶縁体キャリア数になる傾向が観測されるなど，通常の金

2 次元面（CuO2 面）を有し，この面に対して「適切な量の」属理論では理解できない数々の異常が観測されている．こ

キャリアを導入することにより超伝導が発現する，（2）れらは伝導電子とスピンの相関に起源をもつと考えられる．

キャリアの導入されない物質は反強磁性モット絶縁体であ

しかし，さまざまなアプローチが試みられているものの，

る，などがあげられる．

すべての実験結果を矛盾なく理解できる段階に到達してい当時まで，転移温度の高い超伝導は「よい金属」つまりるとはいい難い．

は「キャリアの数が十分に多く，3 次元的なフェルミ面を

銅酸化物高温超伝導は単に転移温度が高い，という定量

もち，近くに磁気秩序相（電子が局在化する相）がない金的問題以上に，電子のもつ遍歴性と局在性，モット絶縁体属」で発現するものと思われてきた．しかし，上記の銅酸へのキャリアドープの物理，キャリア数制御による量子相化物超伝導体はそれらの直感をすべて裏切るものであった．

転移（ゼロ温度での相転移）など，固体物性論における根

加えて，キャリア濃度が低い領域では，超伝導転移温度よ本的な未解決問題を提示し続けている．物性分野の「難問り高い温度領域の金属状態で異常な物性が観測される．

中の難問」なのである．

［1］電子間散乱によって生じる電気抵抗が，温度に比例す
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53

「ランダウのご神託」への挑戦―フェルミ液体論の深化―

1950 年代後半に発表されたランダウのフェルミ液体論

る．現実の系の多様性を考慮しつつこのくりこみの思想をは，物質中の電子集団を典型とする「相互作用するフェル具体化する作業は，凝縮系物理学における難問の 1 つだ．

ミ粒子系」のふるまいを記述する有効理論である．超流動

希土類金属化合物のなかには，相互作用効果によって電子

ヘリウム 3 から半導体，超伝導，金属磁性におよぶ広範なの有効質量が自由電子の 1,000 倍にも達する，重い電子系

フェルミ粒子系の低温挙動を記述する標準理論としての地とよばれる系がある．このような系でも，物理量のふるま

位は，今日もゆらいでいない．相互作用を無視した自由電

いが元来のランダウ理論からずれることはあっても，準粒

子は波として空間を伝わり，その状態は波数とスピンで確子描像そのものが脅かされることはない．これは不思議な

実にラベルできる．このラベルが，粒子間に相互作用をことだ．

ゆっくり印加しても確実に受け継がれるというのが，ラン準粒子描像そのものが脅かされるのは，電子が棲息する

ダウ理論の根本的な仮定（断熱接続の原理）である．要は，空間の次元が低く相互作用が強い場合，つまり電子の身動

独立粒子としての個性（波としてのコヒーレンス）が，相きが強く制限される場合である．たとえば純粋に 1 次元の互作用があっても受け継がれるということだ．この相互作

フェルミ粒子系では，準粒子が完全に消失し，系の励起は用の衣をまとった独立粒子は準粒子とよばれる．準粒子の集団運動で覆い尽くされる（朝永・ラッティンジャー液体）．

集団は自由電子ガスと同様に，明瞭なフェルミ面をもつ．

ランダウ理論に対するさらなるチャレンジが，銅酸化物

準粒子描像の成立とフェルミ液体論の有効性は同義である．

高温超伝導体における電子の挙動である．そこでは銅と酸

では，このご神託のごとき断熱接続のプロセスを微視的に追いかけるには，どうすればよいのか？

それにはまず，素からなる 2 次元面に閉じこめられた上に強くクーロン相
互作用する電子が超伝導を起こす．このような系でも，準フェルミ面から遠く離れた高エネルギースケールから出発

粒子はその独立性を守り切れるのか．準粒子描像のほころ

し，徐々に下降しながら相互作用効果をくりこんで，行きびを通してフェルミ液体論の本質に迫る試みが，理論・実着く先にフェルミ面が存在するか否かを検証する必要があ験両面から続けられている．

54 | 物理学 70 の不思議

54

スピンを操る「見えざる手」―スピン・軌道相互作用―

現 代 の 物 性 物 理 学 に お い て，ス ピ ン・軌 道 相 互 作 用

つスピンに依存した伝導性を実現しようという発想につな（SOI）が研究の舞台の主役に躍り出ている．SOI は電子のがった．現在活発に研究が行われているスピンホール効果

軌道角運動量とスピン角運動量が互いの向きを固定しようやトポロジカル絶縁体は，この着想から生まれ出たものでとする相互作用であり，相対論的な起源をもつ．軌道角運ある．

動量が文字どおり電子の軌道運動（電流）に由来するのに

空間対称性と SOI の関係も重要だ．物質を構成する原子

対し，スピンは電子固有の属性である．スピンを生かすこの並び方，つまり空間対称性は，電子の軌道波動関数の分とは，電子の個性を最大限に引き出すことにつながる．し布を直接支配する．このため，スピンは SOI を通して空間

かしスピンは，直感ではとらえがたい厄介な代物である．

の対称性を見ることができる．結晶の表面や界面といった我々の住む 3 次元空間中の回転を 2 周しないともとに戻ら

対称性の低い環境を準備し，SOI を通じてスピンに作用すない，スピノルという種族である．SOI の真価は，この厄る磁場の効果（磁気異方性）をそろえ，電気伝導を制御し介なスピンの住む空間と我々の住む空間をミクロな世界でようという問題も目下の重要課題である．

つなぐ，唯一の通信手段だというところにある．これを活SOI はまた，スピン間の相互作用にも本質的な影響をお用すれば，実験室，つまり我々の空間の手（探針）で磁場

よぼす．反転対称性をもたない結晶中では，SOI によってを用いることなく，スピンの向きを制御することができる．

結晶格子上の隣接するスピンを直角に開かせようとする相スピンの立場から見ると，SOI は結晶やポテンシャル勾

互作用（ジャロシンスキー・守谷相互作用）が生じる．結配の向きに依存する磁場として作用する．その結果，電子晶の形がスピンの配列に影響するのだ．この相互作用はスの軌道運動とスピンが結合する．結晶中を遍歴する電子のピンのらせん配列やトポロジカルな欠陥構造を生み，物質

運動量とスピンが結合するラシュバ効果は，その顕著な例に新しい機能を付与する．原子の内部から解き放たれるとである．こうして，外部磁場を使わずにスピンの流れを制き，SOI は豊かな物質世界を創造するのである．

御することができる．この発想が，時間反転を破らず，か70 Challenges and Mysteries in Physics | 55

55

見えない秩序を探索する

世の中がかくも多様なのは，秩序をともなう相転移のおこれらの秩序とプかげである．磁石が鉄に引き寄せられるのも，超伝導体がローブとの結合は大磁石の上で浮くのも，相転移という電子たちの協力現象が変弱く，観測は困難

あってのことである．さらに秩序相にある物質では，そのである．実験と理論

秩序の特性を反映して，電磁気学などの「物理法則」がいの両面でのたゆまぬ

ろいろと書き換わる．その意味で，新しい秩序相を見つけ努力により，2000 年

れば，そこには新しい「物理法則」が宿るといえる．

ごろからようやく，共鳴 X 線散乱，（高角）中性子散乱，

磁石は電子のスピンが一様に整列した強磁性状態で，古核磁気（四重極）共鳴，超音波などの実験手法を駆使して代ギリシア人もその性質を容易に知ることができた．一方，検出できるようになってきた．

スピンが交替的に並ぶ反強磁性の秩序は，帯磁率や比熱な「見えない秩序」の発見は新しい「物理法則」の発見と同

どの熱力学量の異常として間接的にわかるものの，それだ義であり，それを利用した新しい物性機能の探求にもつな

けでは反強磁性の整列を確認したわけではない．秩序をがっている．たとえば時空反転対称性を破るトロイダル「見る」には，秩序と直接結合したプローブが必要である．

（アナポール）秩序相では，強い電気磁気効果や非相反光

通常の磁気秩序では，磁気双極子であるスピンが配列し学応答が期待され，応用上重要である．また「見えない秩ている．しかし，物質内の電子には軌道（電荷分布の形状）

序」に付随するゆらぎを媒介とした，新種の超伝導の研究の自由度もあり，スピン・軌道相互作用でスピンと結びつも行われている．

いた高次の多極子（四極子，八極子，…）を形成する．こ今後も「見えない秩序」が次々に発見されるであろうが，うした多極子の配列による秩序も存在し，それらの発現形

そのなかに思いもよらない新しい「物理法則」が見つかる

態によって，多極子秩序，（スピン）ネマティック，ポメ

かもしれない．いまから楽しみである．

ランチュク不安定性，フラックス状態などとよばれている．
56 | 物理学 70 の不思議

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「量子」と「古典」の境界はどこにあるのか？

1980 年代のある量子力学基礎論の国際会議で，以下の物質の痕跡から（原理的に）わかってしまい，ヤングの干ような会話があったそうである．「テニスボールのような渉縞は消失する．つまり，大きな物体で重ね合わせ状態を

巨視的な物体でヤング干渉縞のような量子干渉効果を見る

つくるには，環境（例ではスリット物質）との相互作用をことはできない」「たしかにそうだ．でもサッカーボール

小さくする必要がある．このことは，多くの古典と量子のならできるかもしれない」．ここでサッカーボールとは，移り変わりを説明する．しかし，考える系や現象によってC60 フラーレン分子（原子量 720）を指す．その後，C60 分

多様な量子と古典のクロスオーバーがありうるので，今後子の量子干渉効果が実際に観測され，さらにいまでは原子新しいとらえ方が出てきてもおかしくはない．

量が 7,000 程度もある巨大分子の量子干渉効果が観測され古典と量子の境界について考察することは，いまでも重るようになった．このまま技術が進展すれば，いつかウィ要である．たとえば，半導体集積回路の素子 1 つあたりのルスの量子干渉効果すら観測できるかもしれない．

大きさは過去数十年にわたって指数関数的に小さくなってこのように巨大な物体でも量子力学が成り立っているこ

おり，このままのペースで外挿すると 2030 年ごろには原とが確かめられる一方で，我々の日常の世界では，量子力子スケールに到達してしまう．今後，コンピュータの能力

学の「重ね合わせ状態」や「量子干渉効果」を体感すること

向上に，どこまで古典的な情報制御を利用できるだろうか．

はない．我々の住むマクロな世界が，古典力学によって記

それともどこかで量子力学的な情報制御（量子コンピュー

述されているからである．では，「量子」と「古典」の境界

タ）に移行するだろうか．また，生物はタンパク質の酵素反はどこにあるのだろうか．多くの場合，考えている系とま応を利用しているが，反応を起こす小さな領域は量子力学

わりの環境の相互作用が重要である．たとえばヤングの干にしたがい，タンパク質のほかの大部分は古典力学にした

渉縞の実験で，C60 分子が片方のスリットを通過したとき，がっている．生物はどのように量子力学と古典力学を使いスリット物質との間でエネルギーのやり取りをしたとする．

わけているのだろうか．このように，古典と量子の境界にすると，分子がそのスリットを通過したことが，スリット

ついての問いは，今後も有益な視点を与え続けるであろう．
70 Challenges and Mysteries in Physics | 57

57

熱平衡状態とは何か？

熱力学の出発点は「孤立した巨視的な系は，時間が経つ

ればそっくり」という前提から出発し，このそっくりな性と時間変化も流れもない熱平衡状態に緩和する」という要

質こそが熱平衡状態だとみなすのである．つまり，熱平衡請だった．しかも（これは驚くべきことだと思うのだが），状態とは特定の微視的状態や確率分布ではなく，ほとんど熱平衡状態はごく少数の巨視的な変数の値を指定するだけの微視的状態が共有している性質を指すということになる．

で確定する．体積 V の容器に N 個の分子が閉じこめられた

これで「U，V，N を決めれば巨視的な熱平衡状態が確定

気体なら，V，N と気体の全エネルギー U を指定すれば，する」という熱力学の基本は自然に理解できる．非平衡状

熱平衡状態は 1 つに決まるのである．これは，よいだろう．

態が熱平衡状態に緩和するのも，例外的な状態が時間発展

微視的な視点に立てば，箱のなかの気体は N 個の分子かし「ほとんどすべて」の一員になったと思えば納得がいく．

らなる力学系である．変数 U，V，N を指定しても，対応す

このようなシナリオを単なる「もっともらしいお話」をる微視的な状態は無数にあり，状態が定まったりはしない．

超える確固たる物理に高めようという試みが，ここ 10 年

それでも，熱平衡状態を微視的な力学に基づいて表現するほどで大きく発展している．冷却原子系などでの精度の高方法はよく知られている．「U，V，N に対応するすべてのい実験において外界からほぼ孤立した量子多体系の緩和現

微視的状態が等しい確率で現れる」という，等重率の原理

象が観測できるようになったことが研究の大きな原動力に（あるいはそこから得られる統計分布）にしたがって計算すなった．加えて，大規模な数値計算，可解模型での精緻なればよい．平衡統計力学の処方箋だ．これも，よいはずだ．

計算，量子情報理論の発展をふまえた（なんとフォン・ノ

では，なぜ等重率の原理で熱平衡状態が再現できるのか，

イマンにまでさかのぼる）数理物理的アプローチなどがあ

それが問題だ．かつてはエルゴード仮説に基づく考えが優いまって，活発な研究が進んでいる．「熱平衡状態とは何勢だったようだが，私見では，現代の少なからぬ研究者がか」という古くからの根本的な問いに現代的で明快な回答「熱平衡状態の典型性」が鍵になると信じている．「U，V，が与えられる日も遠くないと期待したい．

N に対応する無数の微視的状態のほとんどは，巨視的に見58 | 物理学 70 の不思議

58

非平衡統計力学の基礎―時間の矢―異なる温度の平衡状態にある 2 つの系を接触させること

近年の「ゆらぎの定理」以降の発展によって，非平衡系を考えてみよう．たとえば 20 度と 40 度の物質を接触させに対する議論の見通しは格段によくなった．定理をうまくると，同じ温度（たとえば 30 度）の状態に到達する．この利用することで，20 度と 40 度のそれぞれの物質に対して現象を不思議に思う人はいない．しかし，物質を構成する

等重率の原理を要請すれば，その後の時間発展を形式的に原子や分子の運動は，古典力学もしくは量子力学によって導出することはできるし，全体系のエントロピーが増える

記述されている．すると，これらの運動方程式は時間反転ことを確認することもできる．このとき，30 度に平衡化に対して対称なので，20 度と 40 度の状態から 30 度に緩和したように見える系に対して，等重率の原理を適用すれば，するダイナミクスが運動方程式の解としてあるなら，30

その熱力学的性質やその後に操作を加えて生ずる時間変化

度の状態から 20 度と 40 度の状態に時間変化する解も存在を議論できる．しかしながら，等重率の原理によって選ばする．実際に観測される不可逆現象と，微視的力学の基礎れた微視的な力学状態に対して，すべての粒子の速度を反事項である可逆性の整合性を問うのが「時間の矢の問題」

転して時間発展しても，最初の 20 度と 40 度の状態に戻るである．この問題の難しさは，何を前提にして何を示せばことはない．すなわち，等重率の原理を仮定するたびに「過よいのかが明示的になっていないことにある．

去」を論じない約束をすることになっている．さまざまな巨視的な量の確定的なふるまいを微視的な力学から議論するとき，最も確からしい「典型的な」ふるまいを定式化

論点が考えられるが，平衡統計力学の範囲を超えて等重率の原理を理解しなおす必要があるだろう．

する必要がある．熱力学と微視的力学を結ぶ平衡統計力学

近年，孤立量子系のダイナミクスに関する実験的研究もでは，等重率の原理に基づいて定式化された．それに対し，活発になりつつある．いまこそ，実証科学として建設的で非平衡系のダイナミクスを典型的なふるまいとして，微視具体的な問いを立て，その解決を通じて自然の基礎法則に的力学から一貫した形で議論できる原理は見出されていな

関する新しい知見を得るときかもしれない．

い．
70 Challenges and Mysteries in Physics | 59

59

厳密に模型を「解く」―可積分系への挑戦―

大学の学部までの授業で扱う系は，厳密に解ける，つまつである．可積分系の理論的な予言は，ときに極めて精緻り解が性質のよくわかった関数を用いて具体的に書き下せであったり特異であったりするため，新しい挑戦的な実験る場合が多く，系の性質を詳しく理解することは容易であ

テーマを提供する場合もある．たとえば，ある時刻を境にる．ところが物性や素粒子，原子核など，あらゆる分野で系のパラメータを急激に変化させる「量子クエンチ」の問対象となる系の多くは多粒子系であり，厳密に解けること

題や，界面の成長や粒子の伝導を記述する可積分確率過程

はむしろ稀で，近似手法や数値計算を利用することがほとの非平衡的性質などは，理論と実験の両面から盛んに研究んどである．もし物理の本質をとらえた多体系の模型に対されている．可積分系はいまのところ 1 次元量子系もしくして「厳密解」を得ることができれば，近似計算や数値計

は 2 次元古典系に限られているが，高次元への拡張はいち

算でのアプローチが困難な問題に答えを直接与えることがばん重要な（かつ困難な）未解決問題である．

できるため，物理学の発展に大きく貢献する．たとえば 21 次元量子可積分系（2 次元古典可積分系）に限らず，新次元イジング模型の厳密解（オンサーガー解）の発見は，しい厳密に解ける模型を見つけることはいまも重要だ．

相転移現象を理解するうえで極めて大きな役割を果たした．

「スピン液体」の物理を再現する可解量子模型（キタエフ模

最もよく研究されている厳密に解ける模型は，1 次元量型）や，超弦・ゲージ理論の理解の鍵となる無限自由度可子可積分系（2 次元古典可積分系）とよばれる一群の可積

積分格子系など，新しい発想に基づく可解模型の発見は今分系模型である．例として，1 次元量子スピン（電子）模型，

後もありうる．日本発の模型や手法も多く，非線形波動（ソ磁性不純物模型，1 次元界面成長模型などが挙げられる．

リトン）の研究における戸田格子，広田の方法や，多くのこれらの可積分系は，通常の物理系と比べて対称性が高く，量子可積分系の統一的理解をもたらした量子群の発見など

対称性に付随した無数の保存量を駆使することで厳密解がは，世界に広く認められている．そのような伝統のうえに得られる．一見異なる可積分系模型の背後には共通の普遍

新たな挑戦を積み重ねていくことが重要であろう．

的な数学的構造があり，その美しさも可積分系の魅力の 1
60 | 物理学 70 の不思議

60

ガラスは固体？

液体？

ガラスに触れると硬い感触が得られるが，実は「固体」
結晶を意味する．しかし，ガラスの内部はランダムにつまった構造であり，実は液体なのである．「動きが凍結した液体」のことを，ガラス状態という．

エントロピー

ではない．固体とは，分子が規則正しく並んだ構造をとる

液体
ガラス

急冷
除冷

結晶

液体を融点以下に冷却していくと，分子がつまっていき，
独立には運動できなくなる．まわりの分子を巻きこんで協

ガラス
転移点

融点

温度

非常にゆっくりと冷却すると，ガラスは結晶よりもエントロ
ピーが低くなる？
その温度で相転移があるのか？

同的に動くようになり，どんどん動きにくくなっていく．
これは，満員電車で 1 人が動こうとすると，周囲の人たち

液体にはガラス転移以外にも，未解明の興味深い問題がもいっしょに動かなければならないのと同じである．このある．これまで液体は，分子がランダムにつまった状態と動きが遅くなった極限がガラスである．問題は，これが相考えられていたため，2 種類の液体状態があるとは思われ転移か否かである．ガラス状態は粘性が極端に大きな液体ていなかった．しかし，水やリン，亜リン酸トリフェニルにすぎないのか，それとも「ガラス相」という新しい状態などにおいて，内部構造や屈折率，化学的性質の異なる 2なのだろうか？

種類の液体状態が見つかっている．このことは，液体にはこれらの問題を解明しようと，多くの研密度以外にも性質を決める物理量があることを意味してお究が行われている．
また，どんな物質でもガラスになるわけではなく，水のり，その物理量の正体はまだ不明である．

ように融点以下に冷却すると，すぐに結晶化する物質も多液体は身近で基本的な状態であるにもかかわらず，そのく存在する．結晶化する物質とガラスになる物質の差は，全容はまったくつかめていない．液体とは本当はどのよう

いったい何であるのか？

な状態なのか，1 日も早く知りたいものである．

この問題はいまだ解明されていない．
70 Challenges and Mysteries in Physics | 61

61

地震予知はなぜ難しい？

地震とは，地殻が変形に耐えられなくなり一気に壊れる
際に弾性波が発生する現象である．その意味で，上空の雲と地面の間の電位差が限界値に達し，放電が起こる雷とよく似ている．ただし，空を見ていれば雷が来るのはわかる
が，地殻内部は直接見えないので，地震予知は難しい．

（左）粉体モデル．（右）簡単な断層面モデルにおける応力不均一性の様子．

夜空を切り裂く雷の模様は美しいが，地震学者には地震波形も美しく見えるそうだ．ただ，その美しい地震波も物

どこでも成り立つ普遍法則である．サイズ分布がベキ的と理的な予知は現在できず，経験的に予測している段階であいうことは「地震には特徴的サイズがない」ことを意味する．

る．地震波は断層の破断ダイナミクスで決まるのだが，断これは上で述べた断層のフラクタル構造とも密接に関係す層は無数の微小亀裂や粉体を含んだフラタクル的構造をもるが，ベキ則の指数は時間とともにゆらぐので，静的な断ち，モデル化が困難なのである．ただしその微視的素過程

層構造がそのまま反映されているわけではなく，応力やひともいうべき粉体の摩擦に関しては，岩石学的研究のみなずみなどの動的な不均一性も本質的と思われている．このらず，近年では粉体物理的な研究も進んでいる（図左）．そような断層応力の時空ダイナミクスは，これまで静的な不の結果をもとに断層の複雑な構造を取り入れ，巨大スケー

均一性を含まない簡単な離散モデルで調べられてきたがルの破壊現象を議論する試みは緒についたばかりである．

（図右），静的な不均一性と動的な不均一性の競合という観

他方，物理学者は統計法則の普遍性に美しさを感じるか

点からの研究が進めば，今後ブレイクスルーが期待できる．

もしれない．たとえば大きい地震は低頻度，小さい地震はおもしろいことに，同様のベキ分布関数は山火事の大き高頻度で起こるが，その頻度分布は地震のサイズ（震源断さや，さらには株式市場などの経済活動においても出現す層の面積とすべり量の積）に関してベキ的である．これはる．これらを統一的に説明する数理は存在するのだろう

グーテンベルク・リヒター則とよばれる経験則で，世界のか？

62 | 物理学 70 の不思議62

経済に物理学は役立つか？

金融市場の価格はなぜランダムウォークのような変動をし，またときには暴騰や暴落が起こるのか？

社会システ

ムのなかで，モノやお金の流れはどのようになっているのか？

N(x,t)
買注文

売注文

これらの社会や経済の根本的な問題に対し，ビッグデータ解析を行い，実証科学的にモデルを構築することにx(t)γc(t)Δx x(t)x(t) x(t)γc(t)Δx

よって，物理学の視点から答えが出せるようになってきた．
たとえば，日々数十兆円が取引されている為替のドル円

社会や経済活動のなかでのモノやお金の流れに関しては，市場の場合，1 本百万ドル単位でそれぞれのディーラーが日本中の約百万社の企業間の取引関係データが提供され，千分の 1 円刻みの交換レートで売買注文を入れる．ミリ秒

取引関係のネットワーク構造の基本的形成メカニズムは，単位で記録された 1 日あたり数十万件にもなるこれらの注

大気中のエアロゾルと同じように，生成と消滅と凝集の 3

文データを分析すると，需要（買注文）と供給（売注文）がつの非可逆過程のバランスにあることが解明されている．

どのように価格軸に分布し，どのような相互作用によってまた，企業間の取引額が売手と買手の企業の大きさのベキ

市場価格が形成されるのかを詳細に観測することができる．

乗の積で近似される非線形な輸送方程式を企業間取引ネッ

その結果，市場価格のごく近傍の内層の売買注文は価格をトワーク上で解くことで，地域間のお金の流れを推定でき直接動かす駆動力となっており，少し離れた外層の売買注るようになった．この手法は，内閣府の提供する地域経済

文は価格の動きを抑制する制動力の役割を担っていること

分析システム（RESAS）に組みこまれ，政策策定などに使がわかった（図）．これは，水中を漂うコロイド粒子がラわれており，経済の活性化や災害による損失のシミュレー

ンダムに変動するブラウン運動と同じメカニズムであり，ションにも応用されている．

アインシュタインが切り開いた揺動散逸関係が，人間集団

経済・社会におけるゆらぎの発生と増幅のメカニズムをの生み出す現象のなかでも成立することを示している．

物理の目で解明することで現象の理解はさらに進むだろう．
70 Challenges and Mysteries in Physics | 63

63

自走する粒子系としての細胞や生物集団のふるまい

混雑した駅の通路や交差点を歩いているうちに，行き交
う人の流れに自然と「レーン」が形成されていることに気づくことがある．こうしたヒトの群集に限らず，動物の群
れや微生物の集団を観察してみると，何かに命令されることなく，運動の様子や配置・配列に，ある種のパターンや構造が自発的に現れる例がいくつも見つかる（図左：バクテリア（枯草菌）が集団運動している様子）．
互いに影響し合いながら運動する同種の粒子や要素が呈する巨視的なふるまいを知り，その背後にある数理的な共通性や差異を明らかにするのは，統計物理の重要なテーマ

状の鳥（ムクドリ）の渦巻き）などの点において，アクティの 1 つである．細胞や動物，人工的な移動物体である自動ブではない粒子の系とはふるまいが大きく異なる．

車など，自ら運動する粒子や物体を「同種の粒子」とみなゆらぎをともないながら自走する粒子を単純化した数理

し，自己駆動粒子系やアクティブマターとよんで，その多モデルとして，ビチェックモデル（Vicsek model）がよく調体的・統計的なふるまいを明らかにしようという試みが広べられている．周囲と進行方向をそろえようとする効果とがっている．自己駆動粒子系は複雑でその例は多岐にわた

ゆらぎとの競合によって，運動方向の秩序が不連続的に相るため，それらをすっきりと分類することは難しい．一般

転移することが知られている．はじめはランダムに歩行しに，粒子自体が異方的で，エネルギー散逸と注入をともなていた昆虫の集団が，ある密度を超えると 1 方向に行進をい，粒子間の実効的な相互作用に作用・反作用の法則が成はじめる現象などが，このモデルでよく説明できるというり立たない．また，局所的なゆらぎが緩和せず系全体にお報告もある．こうした研究によって，生物や人工物の「群よび，疎密や対流，渦などが自己組織される（図右：竜巻れ」の数理的な理解が進みつつある．

64 | 物理学 70 の不思議

64

シマウマの縞模様

シマウマの縞は物理の問題なのだろうか？

自然界では，

うろこ雲や砂漠の風紋，乾いた田んぼのひび割れ，雪の結晶など，地球スケールからマイクロ，ナノスケールにいた
るまで，周期的あるいは規則的な構造が自発的に形成される．それらは原子や分子に比べ十分大きく，結晶の周期構
造とは根本的に異なる．物理学ではそれらを「パターン形

反応拡散系（左：Chaos 1（1991）411 より許可を得て転載）とゼブラフィッ
シュの表皮パターン（右：渡邊正勝氏提供）．

成」と総称している．多くの生物の形態には規則性がある．

とが示された点である．ほかにも，生物，無生物由来のさ生物には遺伝子という設計仕様があるとはいえ，そこに書

まざまなパターン形成が，現代的な実験技術と理論手法をかれた 1 次元的な情報から 3 次元的な生物形態への具現化

用いて詳細に研究され，非平衡統計力学など隣接分野へもにおいて，何らかの意味でのパターン形成の原理が働いて興味深い話題を提供している．そこでは，「生物の模様のいるはずだ．相対論，量子論の構築にはじまる現代物理の物理モデルなど，単なるたとえ話ではないか？」との批判

大躍進を経験した物理学者たちが，身近なパターンの問題に耐えうる，力強い科学が形成されつつある．

にあらためて注目したのは，1950〜70 年代以降である．

そもそも，人が物理に惹かれる理由は何だろうか？

こ

多様で美しいパターン形成の代表例に，反応拡散系があの世の成り立ちを知り，その果てを見極めたい，そんな純る（図左）．何種かの化学種が，反応による生成消滅と拡粋な知的欲求であろう．一方で，必然と偶然が幾重にも織散による輸送によって，濃度分布を時間的・空間的に変化りこまれた我々生命体のありよう（姿，動き，暮らし）を，させる現象である．近年，反応拡散系と魚の表皮のパター

物理現象として整然と語りつくしたい．そんな滑稽なほどン（図右）との著しい類似性が注目されている．強調すべに楽観的で，傲慢なほどに誇り高いもう 1 つの知的欲求にきは，表皮細胞の性質を遺伝子レベルで制御した実験に導かれて，パターン形成の物理は展開している．シマウマ

よって，その類似性は単なる「皮相的」なものではないこの縞をも横目に見ながら．
70 Challenges and Mysteries in Physics | 65

65

タンパク質はなぜ間違えない？

生物の体のなかには，莫大な種類のタンパク質が存在し，ならない．実際に，試験管内でそれが正しく機能することによって生命を維持している．

の実験では，3 次構造以降に行きタンパク質は，多種のアミノ酸が鎖状に連結した高分子でつくことが非常に困難なタンパある．このアミノ酸配列を，タンパク質の 1 次構造という．

ク質もあることがわかっている．

アミノ酸が単に鎖状に連結しただけでは，タンパク質は機しかし，生体内ではタンパク質能 を 発 揮 す る こ と が で き な い．鎖 は 折 り た た ま れ ては間違えることなく，しかも数（フォールディング）らせん構造やシート状構造（2 次構造）十秒という短時間で，正しい高を形成し，さらにこのらせん構造やシート状構造が集合し，次構造へ行きつくことができる．

3 次構造（図：プロテイン G の 3 次構造），4 次構造と高次最近の研究によって，生体内にはタンパク質分子を正しな構造を形成する．このように鎖状から階層的に高次な構

く高速に折りたたませる因子があることがわかってきた．

造を形成することによって，はじめてタンパク質としてのシャペロンとよばれるタンパク質は，内部に疎水領域をも機能を発揮することができる．同じアミノ酸の配列からな

ち，このなかに折りたたみが必要なタンパク質を入れるこるタンパク質でも，高次構造が異なると機能も変化する．

とによって，不適切な結合を抑制し，正しい結合に導く作

したがって，タンパク質の高次構造の決定は重要であり，用をする．どのようにシャペロンは折りたたみが必要なタ

X 線結晶構造解析や NMR，電子顕微鏡などによって，高ンパク質を見つけ出し，内部に入れているのだろうか？

次構造が次々と調べられている．

また，どうして間違えることがないのだろうか？

アルツ

さて，鎖から 3 次，4 次と高次な構造に変化していくとハイマー病など折りたたみの失敗によって起こる病気もあき，途中には準安定な構造がいくつも存在しているはずでり，折りたたみのメカニズムを解明しようと多くの研究者ある．最も安定な構造に移るまでに，準安定状態に何回もが挑み続けている．

トラップされ，そのたびにエネルギー障壁を超えなければ66 | 物理学 70 の不思議

66

電子の量子状態から見る生命現象

生物が地球上に誕生して以来，その生命を維持するエネ

ルギーの流れなど，ダイ

ルギー源として太陽の光が利用されてきた．太陽光エネル

ナミクスや量子現象が詳

ギーは生体内において電子のエネルギー，電気化学エネル

細に観測できるようにな

ギー，化学エネルギー，そして力学エネルギーに変換されり，量子物理の対象としる．このエネルギー変換の出発点となるのが光合成である．

ても興味がもたれている．

光合成は多くの素過程からなる複雑な化学反応系だが，しかし，単一のタンパ

その初期過程は（1）太陽光を捕集するタンパク質内にある

ク質内におけるエネル

色素の電子励起，（2）色素間およびタンパク質間での電子ギー移動や化学反応を詳

励起移動，（3）反応中心とよばれるタンパク質内の色素に細に理解することは，出よる電子励起の捕獲と電荷分離反応からなる．太陽光強度

発点にすぎない．複数のタンパク質を経由するエネルギーが弱い場合には，吸収された太陽光フォトン 1 個が電荷分は，いかにして反応中心に確実に輸送され，エネルギー変離反応に用いられる量子収率はほぼ 100% といわれるが，そ換に用いられるのだろうか？

の起源を物理学の言葉で明快に理解することはいまだチャ持するために複数の分子過程が巧みに組み合わさることでレンジングな問題として我々の前に立ちはだかっている．

発現する秩序ある分子システムや自律的な分子システムの光合成系の物理学研究は近年，フェムト秒レーザーを用構築原理や作動原理を理解することが，今後ますます重要

いた非線形超高速分光技術の成熟により，新たな段階を迎になるであろう．だがそれには，個々の分子過程の詳細をえている．光合成タンパク質の X 線結晶構造や吸収スペク

理解するのとは異質な難しさがある．量子・化学・生物物

トルなど静的な情報だけでなく，タンパク質の運動による理の境界領域を舞台に，知識の地平はまだまだ広がる．

より一般に，生命現象を維色素の電子状態の動的ゆらぎや，複数の色素に広がる電子
励起の量子力学的非局在化状態，タンパク質内部でのエネ
70 Challenges and Mysteries in Physics | 67

67

生物分子機械

生命活動の素過程は，大きさが数〜数十 nm の「タンパ
ク質分子機械」が担っている．分子機械は，方向性のある
動きによって機能を発現する．現在では，顕微解析・操作技術などの開発にともない，1 分子レベルでその機能を見て操作することができる．直線運動を起こす分子モーターとして働くアクチン・ミオシンや微小管・キネシン（ダイニン），それに回転分子モーターである大腸菌のべん毛

微小管上を前進するキネ
シン分子モーター．2 量体の一方（橙）が微小管に結合し，他方（緑）が前方に再結合（矢印）する．動
力 源 は ATP 加 水 分 解 反応（自由エネルギー差）．
（早大物理高野研提供）

モーターや FOF1ATP 合成酵素など，さまざまな分子機械の物質レベルで説明しなければならない．わずか数 μm3 ほど

しかけがナノレベルで解明されつつある．

の単細胞生物である大腸菌でさえ，千種類もの分子機械をタンパク質は，直鎖状につながった多数のアミノ酸が 3

数百万個内包する．高等生物の細胞はさらに複雑で，タン次元的に折りたたまれた構造体であり，多数の内部自由度

パク質合成を担うリボソームや，環境情報を受け取る膜受をもつ．分子機械が機能を発現するとき，この多数自由度

容体，細胞骨格を行きかう分子モーター，「エネルギー通が複雑にからみ合う．運動性分子機械において，化学エネ貨」ATP を生み出すミトコンドリア，変性や老廃物を修理

ルギーが力学的仕事に変換される物理機構を解明するためし処分する分子装置や細胞内小器官，そして細胞核や遺伝には，立体原子構造の解明に加えて，分子動力学による動子群が存在し，物質代謝が時々刻々と行われている．細胞態解析や多自由度非平衡統計力学の開発も必要だろう．

機能の動的秩序や自律性は，どのように設計されているのこのように 1 分子生理学を突きつめたうえで，「生命とか．各分子機械の動作原理を解明した先に待ち受けるのは，は何か」という問いに対する物理学的な答えを得ることが極度な混み合い状態のなかで分子機械が集団協調的に働く

将来的な課題である．そのためには，生物の基本単位であ「場」としての細胞，その設計原理の解明である．

る細胞が，複製も含め自律的システムとして働く仕組みを，68 | 物理学 70 の不思議

68

生命の物理―相互干渉する多スケール系の共通性と多様性―

生命は生体分子から細胞内小器官，細胞，多細胞組織（図A），器官（図 B），個体にいたる，階層的かつ動的な構造をもつ．階層間の空間スケールの違いは 10 倍程度だが，生体分子と個体（ヒト）では 109 倍にもなる．各階層の時
間スケールも近接する．すなわち細胞の複製過程および器官や個体の発生過程は，逐次的というよりむしろ同時に進行しながら各階層を再生産する．生命とはこういった再帰的な階層性を維持し，さらに進化できる系である．

A 動物の上皮細胞．緑は細胞膜に局在するタンパク質．B 器官（昆虫のはね）となる多細胞組織．2 次元シート状に約 104 個の上皮細胞が配置．白の輝点は A の緑と同じタン
パク質．C 器官（花弁）の数と配置．

の集合体としての「個体」が発生する過程には，ヒトの指生物の各階層において運動方程式のような第一原理は未やサクラの花弁の数はなぜ 5 か（図 C）という身近な不思知だが，物理学には異なる現象に共通する数理を見出す方議がある．複数の器官の間の相互作用を電気力学の類推な法論があり，理論と実験が連携した研究が近年進んでいる．

どからモデル化することで，器官の数と配置を制御する各細胞スケールでは，生化学反応を非線形微分方程式などで器官の生化学反応や力学的性質が予測されている．

定式化し，濃度に比例したタンパク質の蛍光から，細胞内

これらの研究は，スケールが近接する階層が相互に非線のタンパク質濃度の時空間変化を検証できる（図 A の赤）．

形に干渉し合うことを示しつつある．複数の階層が干渉し加えて，細胞の変形を連続体力学で定式化し，細胞膜の形て，微小スケールのふるまいが巨大スケールに影響するこ（図 A の緑）などから変位や応力を検証できる．これら生とは，地震や乱流や相転移にも共通する．加えて生命は進

化学反応や力学を介した細胞間相互作用が働くことで，多化する．進化による DNA や上述の各階層の変化の特徴も，細胞組織から器官が発生する．その相互作用に応じた多細理論と実験の両面から研究が進んでいる．今世紀の課題は，

胞組織の挙動は，非平衡統計物理などによりモデル化され，相互干渉的な階層構造の生物種を超えた普遍性と，進化を各細胞と組織の階層で同時に計測できる（図 A，B）．器官

経た多様性の物理学だ．
70 Challenges and Mysteries in Physics | 69

69

物理学は誰のもの？

「サイエンティスト」という言葉が生まれたのは，19 世

性や抽象性，数学に基づき厳密さや客観性を重視する言説

紀も半ばのことだ．それ以前，たとえば英国の王立協会のなどがある．確率的にしかいえない事柄や，ほかの研究者

活動を支えた会員の多くは，ジェントルマンとよばれる地たちによる検証が待たれている事柄であっても，マスメ

主階級の人々だった．ボイルの真空ポンプの実験にしても，ディアや一般の人々が期待するのは話題性であり，白か黒王立研究所の金曜講話にしても，何より物理学は彼らにかの明快さだ．ともすると取材時の発言が思わぬ伝え方をとってエンターテイメントだったのだ．

されたりして，お互いに不満を募らせてしまう．

ところが科学はやがて制度化され，物理学者たちは大学だが，こんなすれ違いの関係を見直す機運はいま，芽生などに職を得て，専門教育が行われるようになる．学術雑えつつある．サイエンスカフェという対話の場は，日本で誌を基軸とする，贈与経済の体系も構築された．研究成果もすっかり定着したようだ．Zooniverse のようなクラウドを論文として投稿すると，同業者の評価を経て，評判や信ソーシングの試みは，科学研究の現場に一般の人々が新し用という見返りが得られるのだ．コミュニティは特有の文い形で関与する機会を生み出している．そして福島第一原化を形づくり，そこに「素人」はいなくなった．

発事故の際には，放射線量を測定し統計データを比較する

そして今日，目ざましい発展を遂げた物理学は，社会をという科学的な姿勢で，人々の不安と向き合った物理学者

あらゆる面で支えている．だが人々はそのことを十分認識たちがいた．SNS に端を発した対話の広がりは，乳幼児のしつつ，物理学を自分とは縁遠いものと感じている．学校

内部被曝線量測定や，高校生による居住区域の線量測定のでの「物理離れ」はもはや常套句だ．映画などの「白衣を論文として結実した．専門家と一般の人々が同じ目線の高まとった得体の知れない人物」といったステレオタイプのさで向き合えば，互いに本当の姿が見えてくる．物理学は背景にあるのは，物理学者に向けられる盲目的な信頼，権再び人々に寄り添い，ともに未来を築いていけるはずだ．

威への畏怖と，漠然とした不信が入り混じった眼差しだ．
物理学を近寄り難くしている要因に，学問としての体系
70 | 物理学 70 の不思議

70

物理学はどこへ行くのか

現代の物理学を見わたすと，先端研究の手法やアイデア

物理学の豊かさを支えるのは，実験結果を予断なく直視には分野を超えた共通点が数多く見出される．これは，多し，より適用範囲の広い理解に向かおうとする個人のアイ

岐にわたる分野の研究対象は自然の一部分を切り取ったもデアや想像力だ．新たな実験の構想にも想像力は不可欠だ．

のであるにせよ，それぞれの研究は互いに影響し合い，物「想像する」ことのおもしろさの 1 つは，個々の研究分野

理学の根幹が着実に成長していることを示している．

で追究された結果や培われた経験知を俯瞰することで共通

物理学の手法を支えるのは「観る」ことである．従来よ概念を見出し，研究の飛躍的進展をもたらしうることだ．

り「観る」を担ってきた実験の精密さは著しく向上した．

たとえば，量子力学や相対論といった物理学の根幹をなす

また，物理学の距離・時間スケールにおけるフロンティア

体系も，最初は個人的なアイデアが「観る」こととの協働は広がり，ニュートリノ振動や重力波の検出にまで成功しをくり返して確立されたものだ．映像が身のまわりにあふた．物理学における実験の重要性は今後も変わることがな

れ，圧倒的な情報量の前に本質が覆い隠されがちな現代にいだろう．一方，近年では「観る」概念そのものが広がりあるからこそ，個人のもつ想像する力の可能性を問いかけを見せている．実験だけでは容易に得られない物理量の定

たい．

量化のため計算機シミュレーションによる予測が研究の俎

自然は不思議にあふれている．物理学は，自然を理解す

上にのるようになった．また，基礎的な理論構築に際してるためのさまざまな方法を開拓し，人々の不思議に応えては，数学で確立された体系を用いて「観る」ことも行われきた．ここで育まれた果実は人々の自然観を更新し，必ずる．たとえば，トポロジーの概念をあらわに導入した理論や次の世代の不思議を生むことだろう．尽きることのないは物質の世界を大きく広げた．「観る」は妙なる自然を手

不思議と，それを解き明かしたいと思う好奇心は，人々の元に引き寄せるとともに，新たな不思議を生み，より具体思考をより豊かで自由なものへと導くに違いない．物理学的で先鋭化された問題を提示する．このような物理学の方はこれからも，そんな自由に広がる不思議とともに歩みを

法論はこれからも研究者たちを強く牽引していくはずだ．

進めていくことだろう．
70 Challenges and Mysteries in Physics | 71

宇宙マイクロ波背景放射の偏光：現状と将来の展望

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70 Challenges and Mysteries in Physics | 73

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高次元時空から見た CP 対称性の破れの起源
65 巻 7 号 p. 545（2010）
10 クォークの閉じこめ―なぜクォークは発見されないのか？―

70 巻 12 号 p. 900（2015）
重いクォーク物理の進展―QCD と量子力学系ポテンシャルの対応―

弦理論によるハドロンの記述

68 巻 8 号 p. 524（2013）15 ストレンジな原子核，チャームな原子核

見えないクォーク・グルーオンを見る

70 巻 5 号 p. 338（2015）

ハイパー核ガンマ線分光学の幕開け

量子色力学：クォークの閉じ込め

35 巻 1 号 p. 016（1980）

74 | 物理学 70 の不思議

67 巻 5 号 p. 325（2012）
56 巻 6 号 p. 419（2001）

チャームとストレンジを持つ中間子に新発見
59 巻 1 号 p. 035（2004）
16 原子核の形とダイナミクス

20 恒星の誕生と死宇宙初期の星形成

63 巻 2 号 p. 120（2008）

林フェイズと星形成の研究と林忠四郎先生

原子核の「分子的」構造

71 巻 6 号 p. 350（2016）

変形原子核の巨大単極共鳴

72 巻 1 号 p. 045（2017）

量子多体系の回転運動

63 巻 3 号 p. 186（2008）

17 究極の超重原子核―安定の島をめざして―

65 巻 10 号 p. 782（2010）
重力崩壊型超新星の爆発メカニズム

中性子星とブラックホール―相対論的天体物理学入門―

超重元素はどこまで存在するか

70 巻 2 号 p. 103（2015）―質量公式からみた重・超重核領域の原子核崩壊―
60 巻 9 号 p. 717（2005）
重イオン核融合反応と超重元素

68 巻 10 号 p. 654（2013）

新発見の 113 番元素

60 巻 9 号 p. 698（2005）

18 原子核の地図はどこまで広がる？
重い中性子ハロー核 31Ne の発見

星の重力崩壊と中性子過剰核41 巻 2 号 p. 154（1986）

核力はどこまで解っているか？―3 体核力の実験的な現状―
70 巻 12 号 p. 912（2015）
22 超大質量ブラックホールはどのようにできたのか？
銀河と共に進化する超大質量ブラックホール

66 巻 12 号 p. 914（2011）

インビーム γ 線核分光による新魔法数の発見
70 巻 7 号 p. 535（2015）
核力中のテンソル力が引き起こす原子核のシェル進化
66 巻 3 号 p. 195（2011）19 20XX 年宇宙の旅：クォークから原子核，そして宇宙へ
QCD による核力研究とその展開

70 巻 3 号 p. 170（2015）

21 ブラックホールにならない中性子星，分岐点は？

67 巻 11 号 p. 745（2012）

クォークから中性子星へ―格子 QCD 計算を用いた新たな挑戦―

69 巻 11 号 p. 744（2014）
銀河中心における超巨大ブラックホール形成の解明に向けて〜多階層モデル構築の重要性〜

66 巻 4 号 p. 285（2011）23 ブラックホールに吸いこまれた情報を取り出せるか？
ブラックホールと量子情報理論

59 巻 5 号 p. 286（2004）

エンタングルメント・エントロピーのホログラフィーを用いた
幾何学的記述：AdS/CFT 対応からの視点
62 巻 6 号 p. 421（2007）

70 巻 12 号 p. 921（2015）

70 Challenges and Mysteries in Physics | 75

ホログラフィー原理―ブラックホールが指し示す量子重力への道筋―

70 巻 7 号 p. 508（2015）24 ブラックホールは宇宙一明るい？―相対論的ジェットの謎―
ブラックホール：磁場による回転エネルギーの引抜き
58 巻 10 号 p. 743（2003）
ブラックホールが駆動する相対論的ジェットの物理
72 巻 1 号 p. 019（2017）
25 超高エネルギー宇宙線の起源は？
超高エネルギー宇宙線観測の現在：テレスコープアレイ実験の結果

68 巻 10 号 p. 670（2013）

大気は絶妙な厚さの検出器―宇宙線エネルギーの限界を求めて

29 核融合エネルギー発電は実用化するか？
大型ヘリカル装置で切り拓くプラズマ物理の世界―プラズマの流れと温度の遷移現象
レーザー核融合の最前線

ジャイロ運動論による磁化プラズマ乱流の研究―核融合から宇宙まで―

61 巻 9 号 p. 666（2006）
乱流磁気ダイナモ46 巻 9 号 p. 734（1991）

27 太陽コロナはなぜ熱い？

63 巻 10 号 p. 785（2008）

太陽内部のカオスから秩序を生み出す

71 巻 11 号 p. 762（2016）

31 量子電気力学はどこまで正しいのか？
QED 摂動論によるレプトン異常磁気能率の計算
69 巻 6 号 p. 376（2014）
61 巻 12 号 p. 918（2006）

32 どこまで正確な時計をつくれる？
光格子時計―精密光周波数計測におけるイオン・中性原子冷却実験の接点―

57 巻 10 号 p. 754（2002）

秒の再定義に向けての原子時計の新しい進展―「秒の二次表現」―「ようこう」が見た太陽コロナ―その X 線観測 10 年の成果―
57 巻 10 号 p. 738（2002）
28 惑星・衛星の起源―多様な惑星系はどのようにできたのか―
系外惑星の多様性と偏在性

70 巻 9 号 p. 672（2015）

太陽系外惑星を CT スキャンする

68 巻 1 号 p. 004（2013）76 | 物理学 70 の不思議

68 巻 5 号 p. 296（2013）

プラズマの乱流構造

素粒子論の過去・現在・未来

宇宙磁場：初期宇宙における密度ゆらぎの化石

58 巻 8 号 p. 588（2003）

30 乱流は難しい？

67 巻 12 号 p. 827（2012）26 宇宙のあらゆる階層に広がる磁場の起源

64 巻 9 号 p. 666（2009）

65 巻 2 号 p. 080（2010）
時刻・周波数標準の遠距離比較伝送技術の現状と将来
68 巻 4 号 p. 209（2013）33 実験室で超新星爆発をシミュレート？

37 素粒子と物性の不思議な関係

レーザー冷却された中性原子気体の Bose‒Einstein 凝縮
53 巻 9 号 p. 663（1998）
引力相互作用するボース・アインシュタイン凝縮体の動的振る舞い

「物性物理学と素粒子物理学の対話」IPMU フォーカス・
ウィークの報告65 巻 8 号 p. 638（2010）

超伝導がもたらした物性と素粒子の交流

58 巻 8 号 p. 607（2003）

SU（N）ハバードモデルを光格子中の冷却原子で実現する

66 巻 10 号 p. 769（2011）
ゲージ・重力対応で探る強相関系の非平衡物理学

69 巻 6 号 p. 381（2014）34 量子力学の不思議を実験的に検証する
量子測定における誤差・擾乱の計測と不確定性関係
70 巻 3 号 p. 188（2015）
番犬はシュレーディンガーの猫を生むか ?：光子場の波束の収縮
電子線ホログラフィーの発展

70 巻 7 号 p. 510（2015）
38 フェルミ粒子系の数値計算はなぜ難しい？―負符号問題―

48 巻 10 号 p. 781（1993）
51 巻 10 号 p. 719（1996）

密度行列繰り込み群の最近の話題―テンソルネットワークに潜むエンタングルメント構造―

量子モンテカルロ法による電子物性研究：道具立ての話とハバード模型の物理の話と48 巻 6 号 p. 437（1993）

キタエフ量子スピン液体の 気液 相転移

35 盗聴不可能な通信は可能？
量子暗号と量子論

65 巻 6 号 p. 409（2010）

70 巻 10 号 p. 776（2015）
56 巻 1 号 p. 017（2001）

量子符号化による雑音に強い量子情報通信
63 巻 11 号 p. 858（2008）
36 量子コンピュータは実現するのか？

有限密度での格子 QCD 計算

66 巻 1 号 p. 006（2011）39 マヨラナ粒子の尻尾をつかめ！
ニュートリノの質量と素粒子論

58 巻 5 号 p. 323（2003）

超伝導体におけるマヨラナフェルミオン

ジョセフソン接合量子ビット研究の進展

69 巻 5 号 p. 297（2014）
57 巻 11 号 p. 797（2002）

量子アニーリング

66 巻 4 号 p. 252（2011）

量子計算機入門52 巻 10 号 p. 748（1997）

二重ベータ崩壊の核行列要素を検証する
67 巻 6 号 p. 389（2012）

70 Challenges and Mysteries in Physics | 77

40 還元と創発―物質世界のとらえ方―

超高分解能原子・分子実時間イメージングへの挑戦
64 巻 7 号 p. 544（2009）

Emergence, Reductionism and the Seamless Web: When and Why Is
Science Right?

55 巻 8 号 p. 620（2000）

序にかえて（科学における創発性，還元主義，シームレスウェブ）55 巻 8 号 p. 619（2000）

44 透明マントはできる？―メタマテリアル―「速い光」，「遅い光」と群速度屈折率って何？―現代の 巨視的電磁場 問題―

41 トポロジカル秩序と奇妙な励起状態
トポロジカル秩序とベリー接続

70 巻 11 号 p. 812（2015）
68 巻 1 号 p. 019（2013）

物性物理におけるトポロジカル秩序と新しい素粒子像
63 巻 4 号 p. 282（2008）
固体電子系のトポロジー

69 巻 5 号 p. 286（2014）

42 「観る」を極める

45 マテリアルの性質を光で変える？―光誘起相転移の挑戦―
強い電子格子相互作用をもつ有機結晶の多彩な光誘起
ダイナミクス

転換する〜相関電子系の新しい光相制御〜
69 巻 11 号 p. 777（2014）

半導体ナノ構造の構成要素としての表面構造―高指数表面の研究を通じて―60 巻 8 号 p. 641（2005）

走査トンネル顕微鏡探針を用いた DNA 分子の識別と操作
52 巻 9 号 p. 667（1997）
43 アト物理―超高速現象にどこまで迫れるか―

71 巻 5 号 p. 311（2016）
強相関系の非平衡物理〜NTT 物性科学基礎研究所における超高速光物理研究〜
70 巻 12 号 p. 936（2015）

67 巻 4 号 p. 234（2012）

46 異質な物質同士の理想の出会いとは？
FeSe 原子層薄膜の高温超伝導

71 巻 2 号 p. 099（2016）

直接ギャップ半導体ヘテロ接合による二次元トポロジカル
絶縁体

71 巻 2 号 p. 093（2016）

RRAM の原理はどこまで理解できたのか？

ペタヘルツエンジニアリング創出に向けたアト秒光物性78 | 物理学 70 の不思議

69 巻 8 号 p. 531（2014）

励起光波長の選択によってモット絶縁体を金属と電荷密度波に走査トンネル顕微鏡で捉えた単一磁性分子の磁気異方性
スイッチング

68 巻 8 号 p. 516（2013）

70 巻 11 号 p. 814（2015）
47 スピンの流れを制御する―スピントロニクスの挑戦―
スピントロニクスとスピンポンピング

70 巻 6 号 p. 406（2015）

巨大磁気抵抗効果（GMR）からトンネル磁気抵抗効果（TMR）へ
スピンホール効果とスピントロニクス

51 超伝導の転移温度はどこまで上がる？

65 巻 5 号 p. 324（2010）

硫化水素からの高温超伝導

71 巻 2 号 p. 076（2016）

62 巻 1 号 p. 002（2007）

新超伝導物質開発―過去・現在・未来―

48 極限環境への挑戦―低温・高圧・強磁場―電磁濃縮法による室内世界最高磁場発生と物性物理への応用
67 巻 3 号 p. 170（2012）
ダイヤモンドアンビルセルを用いた最近の圧力発生技術
61 巻 2 号 p. 084（2006）
低温物理の 50 年

51 巻 5 号 p. 323（1996）

49 コンピュータで挑む物質設計

66 巻 10 号 p. 747（2011）
高温超伝導体の Tc を上げるには？：銅酸化物超伝導体の64 巻 8 号 p. 602（2009）

不均一性と Tc

52 銅酸化物高温超伝導体―30 年来の未解決問題―
銅酸化物高温超伝導体の擬ギャップ：
超伝導の敵？，それとも味方？

62 巻 11 号 p. 815（2007）

第一原理電子状態計算の現状と課題：概観
64 巻 4 号 p. 241（2009）
磁石の秘密

71 巻 6 号 p. 377（2016）

有効遮蔽媒質法を用いた電気化学反応の第一原理分子動力学
シミュレーション

64 巻 10 号 p. 777（2009）50 金属と絶縁体のはざまに広がる豊かな物性
モット転移と高温超伝導体の電子状態―ハバードモデルからの新展開

71 巻 8 号 p. 533（2016）

トポロジカル相と電子相関―イリジウム酸化物を中心に―71 巻 3 号 p. 146（2016）
遷移金属カルコゲナイド 2 次元結晶―超伝導から円偏光発光素子まで―

66 巻 12 号 p. 923（2011）

フェルミ・アーク―高温超伝導体の異常なフェルミ面

69 巻 11 号 p. 771（2014）

銅酸化物高温超伝導体の超伝導ギャップ・擬ギャップ
ダイナミクス71 巻 12 号 p. 830（2016）

53 「ランダウのご神託」への挑戦―フェルミ液体論の深化―
強相関系の金属‒ 絶縁体転移の理論

54 巻 2 号 p. 115（1999）

軌道縮退を有する重い電子系の Grand Kadowaki‒Woods 則
60 巻 11 号 p. 872（2005）
一次元ハバード・モデルの厳密解とラッティンジャー流体論
46 巻 7 号 p. 565（1991）
54 スピンを操る「見えざる手」―スピン・軌道相互作用―
ラシュバ効果―2 次元電子系のスピン軌道相互作用
70 巻 8 号 p. 588（2015）

70 Challenges and Mysteries in Physics | 79

固体中のスピン軌道相互作用が引き起こす特異な電子スピン構造

70 巻 10 号 p. 760（2015）

58 非平衡統計力学の基礎―時間の矢―
ゆらぎの定理―非平衡な世界の対称性―

空間反転対称性のない物質における超伝導69 巻 10 号 p. 676（2014）

63 巻 1 号 p. 018（2008）

非平衡定常系の熱力学と統計力学にむけて71 巻 1 号 p. 004（2016）

非平衡物理この 50 年

55 見えない秩序を探索する
電子の多極子秩序63 巻 10 号 p. 797（2008）

磁気八極子秩序―共鳴 X 線散乱の理論的解析
61 巻 10 号 p. 766（2006）

59 厳密に模型を「解く」―可積分系への挑戦―
可積分量子多体系の非平衡ダイナミクスと統計力学の基礎

磁性体中のスピンの量子ネマティック状態
65 巻 5 号 p. 345（2010）
56 「量子」と「古典」の境界はどこにあるのか？
生物系の分子動力学シミュレーション

62 巻 10 号 p. 777（2007）

膨脹した原子―高リュードベリ状態のダイナミクス
41 巻 5 号 p. 402（1986）
宇宙初期ゆらぎのエンタングルメント

70 巻 6 号 p. 419（2015）
格子ソリトンの発見

51 巻 3 号 p. 185（1996）「ゆらぐ界面」をめぐる実験と理論

65 巻 10 号 p. 760（2010）

60 ガラスは固体？

液体？

ガラスの非平衡ダイナミクス

62 巻 6 号 p. 431（2007）
分子性液体における液体・液体相転移現象
60 巻 6 号 p. 461（2005）

熱的な量子純粋状態を用いた統計力学の定式化
70 巻 5 号 p. 368（2015）
可積分量子多体系の非平衡ダイナミクスと統計力学の基礎
70 巻 6 号 p. 419（2015）「悪魔」との取り引き―エントロピーをめぐって
66 巻 3 号 p. 172（2011）80 | 物理学 70 の不思議

60 巻 8 号 p. 602（2005）

ガラス転移理論の新展開―動的不均一性とモード結合理論―

69 巻 11 号 p. 763（2014）

57 熱平衡状態とは何か？

63 巻 10 号 p. 754（2008）

61 地震予知はなぜ難しい？
物理屋のための地震学入門

71 巻 12 号 p. 836（2016）62 経済に物理学は役立つか？
価格変動の統計物理学入門

54 巻 1 号 p. 003（1999）

経済学における力学的類推とその限界

30 巻 4 号 p. 229（1975）

経済学と物理学

33 巻 3 号 p. 180（1978）

63 自走する粒子系としての細胞や生物集団のふるまい
アクティブマターの非線形ダイナミクス

67 生物分子機械
筋収縮メカニズムのなぞに迫る
生命現象を計測する：光学的アプローチ70 巻 5 号 p. 347（2015）
マガンの群れの集団動力学

42 巻 5 号 p. 424（1987）

70 巻 9 号 p. 718（2015）

45 巻 3 号 p. 155（1990）
構造から探る生物分子モーター・キネシンのしくみ

64 シマウマの縞模様

58 巻 4 号 p. 232（2003）

反応 ‒ 拡散 ‒ 駆動系として理解する細胞の形態変化
70 巻 1 号 p. 025（2015）

68 生命の物理―相互干渉する多スケール系の共通性と多様性―
巻貝の殻に隠れている動物の左右性形成メカニズムの謎

興奮性を示す反応拡散系のパターンダイナミクス
48 巻 10 号 p. 789（1993）

71 巻 2 号 p. 080（2016）
バイオメカニクス：力学からみる生命現象

65 タンパク質はなぜ間違えない？

68 巻 9 号 p. 612（2013）

タンパク質系分子シミュレーションのための力場関数

生物物理始まりのころ

51 巻 10 号 p. 723（1996）

67 巻 5 号 p. 343（2012）
固体 NMR 分光法による生体分子複合体の構造解析
64 巻 3 号 p. 179（2009）
66 電子の量子状態から見る生命現象
光合成による水分解：生命の巧みな光エネルギー変換のしくみ
70 巻 10 号 p. 742（2015）
光合成系の光捕集過程を構造に立脚して理解する：
理論と実験の融合で見えてきたこと

69 巻 9 号 p. 639（2014）

光合成細菌は励起子を利用してエネルギー伝達を行う
56 巻 1 号 p. 032（2001）

70 Challenges and Mysteries in Physics | 81

執筆者・執筆協力者
会誌編集委員会外（数字は記事番号）
横山順一

1

清水則孝

16

井岡邦仁

24

田崎晴明

57

早川美徳

63

川合

光

2

大田晋輔

18

御領

41

佐々真一

58

石﨑章仁

66

高田昌広

8

土井琢身

19

小野田

44

笹本智弘

59

石渡信一

67

近藤慶一

10

長峯健太郎

22

金道浩一

48

波多野恭弘

61

藤本仰一

68

津村浩二

11

西岡辰磨

23

楠瀬博明

55

高安美佐子

62

潤
勝

会誌編集委員会内
石岡邦江

岸根順一郎

田島俊之

藤山茂樹

望月維人

板橋健太

栗田

玲

田中良巳

松尾

森川雅博

今村卓史

桑本

剛

田沼

肇

松本重貴

李

沖本洋一

鈴木康夫

常定芳基

水崎高浩

渡邊

片山郁文

須山輝明

長谷川修司

南

加藤岳生

高須昌子

藤井芳昭

目良

泰

哲虎
康

龍太郎
裕

日本物理学会設立 70 周年記念企画

物 理 学 70 の 不 思 議
日 本 物 理 学 会 誌

第 72 巻

第 9 号 （平成 29 年 9 月 5 日発行） 通巻 823 号

印刷所〒169‒0075 東京都新宿区高田馬場 3‒8‒8

発行所〒113‒0034 東京都文京区湯島 2‒31‒22

付録©日本物理学会 2017

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国

際

文

献

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一般社団法人

日

本

物

理

学

会

The Physical Society of Japan

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