広島工業大学紀要教育編
第 19 巻（2020）141-145

報

告教養教育指向の物理教育の実践
安塚周磨＊・大村訓史＊＊・鈴木貴＊＊＊（令和元年10月29日受付）

Practice of a liberal arts oriented physics education
Syuma YASUZUKA, Satoshi OHMURA and Takashi SUZUKI（Received Oct. 29, 2019）

Abstract
We have given our college students a fascinating lecture which covers broad area of modern
physics: quantum mechanics, semiconductor, magnetism, laser, superconductivity, big bang, andparticle physics. The emphasis is on understanding of the basic principles without an overload oftechnical details, replacing some fundamental equations with physical insight. History of researchon superfluity and superconductivity is briefly shown.
Key Words: modern physics, physics education, liberal arts, superconductivity, superfluity, science,engineering.

が必要であろう。

１ ．はじめに

本学では「物質と宇宙の物理」を開講し、物理グループ近年の人工知能の進歩や量子コンピュータの商用化の例の大村、安塚、鈴木が分担してそれぞれの専門性を活かを挙げるまでもなく、科学技術や研究のフロンティアは非し、15週の講義を担当している。本科目では、現代物理学常に早いスピードで進んでいる。研究内容はその領域の専の二大分野である物性物理学と素粒子物理学が解き明かし門家以外には理解が困難な状況にあるから、一人の大学教た物質観と宇宙観を解説している。最先端のホットな話題員が、その全体像を的確に把握して、これを １ つの体系にであるが、物理をとくに学んでいない文科系の学生にも理まとめて大学の学部学生に教えるというようなことは不可

解できるように数式の利用を極力避け、教養的なテーマに能に近い。しかし、異なる専門分野を持つ複数の教員が、しぼって概説している。本科目では、物質をミクロな視点自分の研究に関連する興味深い現象や話題をピックアップから理解するという現代物理学の手法と、それによって理して、その内容には深入りせず概観するだけなら難しいこ解された自然の真の姿について概説する。現代物理学の出とではない。内容に踏み込んだ教育が目的ではなく、雑学発点は、「物質をよりミクロに分解すると何が現れ、それ的となってしまい系統だったことにはならないにせよ、よらはどのような法則に従っているのだろうか？」という素り多くの学生に物理学の面白さを理解してもらうために、朴な疑問である。この問に対する答として、まず、計算物またそのような話題を持ち合わせた技術者を育てるために性・理論物性を専門とする大村が、原子の内部構造、光、も「現代物理学を彩る20世紀以降の物性物理学と素粒子物

X 線等に関する話題について ５ 週にわたって講義してい理学」についてある程度専門的な教養指向の物理教養科目る。次に、電子物性を専門とする安塚が、科学技術の革命＊

広島工業大学工学部知能機械工学科
広島工業大学工学部環境土木工学科＊＊＊
広島工業大学工学部電子情報工学科＊＊― 141 ―

安塚周磨・大村訓史・鈴木

貴的な進歩を生んだ量子力学と現代の物質科学の基礎を ５ 週

どんどん排気されていく。減圧によって、液体ヘリウムはにわたって講義している。さらに、素粒子論・数理物理学激しく沸騰する。圧力は一気圧から徐々に下がり、液体ヘを専門とする鈴木が最初期の宇宙にまで迫る素粒子物理学

リウムは蒸発熱を奪われるため、温度はどんどん下がってに焦点をあて、現代物理学が解き明かしたビッグバンの「ビいく。ある瞬間、激しく沸騰していたヘリウムが、急に静フォー・アフター」を、最後の ５ 週をかけて解説している。

かになった。温度は2.17K。激しい沸騰で荒れ狂っていた

本科目は2010年（H22カリ）から ７ 学科の発展学習トラッ

液面は、まるで死んだかのように横たわっており、透明なク科目（ ２ 単位）として開講された。この科目の開講の経液体ヘリウムは水平な液面を静かにたたえている。それに緯については文献［ １ ］に詳しい報告がある。この科目はも関わらず、温度はさらに低下していくのである。この死自由科目であり、その取得単位は本学の卒業要件にはカウに絶えたような静寂の世界こそ超流動状態なのである。

ントされない。しかも、後期木曜日の ９ ・10時限（16：45

液体ヘリウムは2.17 K で比熱に異常を伴う相転移を示～18：15）という遅い時間帯にも関わらず、毎年、30名弱す。比熱の温度依存性はギリシャ文字のλ（ラムダ）に似の学生が熱心に受講してくれた。このことから、本学の学た鋭い極大を示すことから、エーレンフェストはこの相転生が現代物理学に対して純粋な興味と関心を持っているこ移を「λ転移」と名付けた。キーソムらは Tλ = 2.17 K をとが伺える。また、この科目を一般社団法人 教育ネット

境とする高温側の液体ヘリウムを He-I（常流動状態）、低ワーク中国への単位互換科目として提供しており、他大学温側を He-II（超流動状態）と呼んだ。この名称は現在でから ６ 名の学生も受け入れた実績がある。

も使われている。1930年ごろから He-II に特徴的な現象が本科目において、20世紀以降の物理学を概観するテキス
トとして、大槻義彦著「セメスター物理実験的に明らかにされ始めた。そのひとつは He-II の熱伝現代物理学」（学導度が純粋な銅の1000倍以上にもなるということである。

術図書出版社）を使用している［ ２ ］。内容として、原子また、見た目にも明らかな不思議な流体現象を示す。例えとその内部構造、量子力学、半導体、磁性、レーザー、超ば、温度勾配が圧力勾配を誘起し、それによって流れが駆伝導、素粒子、宇宙の構造、ビックバンなどが扱われてい動される熱機械効果がみられる。この代表例が噴水効果でるが、このような構成は従来の物理教育の体系からするとある。温度勾配に圧力勾配が付随する現象は一般の流体で大変珍しく、かつ魅力的な内容になっている。本科目は断も見られるが、He-II の場合は、その大きさが桁外れに大片的な内容ではあるが、本学の学生には「知的な潤い」をきい。また、He-II はふつうの液体が粘性によって流れる与えることも狙いとしている。また、講義を担当する我々ことのできない薄い膜や狭いすき間をたやすく流れること自身が幅広く物理学の面白さを再認識する機会でもある。

ができる。粘性の消失が超流動現象のもっとも際立った特残念ながら R ２ カリではこの科目は廃止されてしまう。こ徴である。の紀要では、この講義内容の中から、最も華々しい分野でランダウは、粘性の消失の起源として、液体ヘリウム全ある超流動と超伝導の研究の歴史と魅力を整理しておきた体が量子力学的な基底状態に落ち込むこと（ボーズ凝縮）

い［ ３ − ６ ］。

を示し、 ２ 流体モデルを構築した。 ２ 流体モデルでは基底状態とともにフォノンやロトンと呼ばれる素励起の概念が２ ．超流動現象重要である。素励起に対するファインマンの理論は現象論

1908年、オランダの物理学者オンネスは世界ではじめてヘリウムガスの液化に成功した。大気圧と圧力平衡にあるとして導入されたが、ファインマン特有の直感的な展開であり、示唆に富んでいる［ ３ − ６ ］。

ときの液体ヘリウムの温度（沸点）は4.2 K である。液体３ ．超伝導現象

ヘリウムの誕生は20世紀以降を通して多くの驚きと夢を人類にもたらしたと言っても過言ではない。そこには驚異の物理現象、超流動と超伝導が待っていたからである。

オンネスが水銀の超伝導を発見したのは、彼がヘリウムの液化に成功してから ３ 年後の1911年のことである。オン

私（安塚）が学生時代、卒業研究の実験で液体ヘリウム

ネスは当時「金属をどこまでも冷やしていったら電気抵抗を使用する際には、ガラス製のデュワー瓶（魔法瓶）を用はどうなるか？」という非常に基本的な問題に取り組んでいていた。通常使用するデュワー瓶には、赤外線の輻射をいた。当時、ケルビン卿は金属を極低温に冷やすと物質中防ぐために銀メッキが施されているが、液体ヘリウムの液の伝導電子の動きが止まり、電気が流れなくなると予測し面の確認と超流動現象の観察のために、幅が数 cm で垂直ていた。しかし、実際に調べてみると白金、金に対する電方向にスリットが設けられている。私と同じ研究室の博士

気抵抗は温度が下がるとどんどん小さくなることが分かっ後期課程の先輩が私の目の前で超流動状態を見せてくれたのである。絶対零度でも、ほんの少し抵抗が残るのは不た。液体ヘリウムを真空ポンプで引くと、ヘリウムガスが純物が原因だとオンネスは考えた。このことを検証するた― 142 ―

教養教育指向の物理教育の実践めに選んだ金属が水銀である。なぜなら、水銀は室温で液に磁束は外部に排除されているが、磁場が大きくなると磁体であり、蒸留を繰り返すことで高純度の試料を得ること束の侵入が起こり、リングの磁化が変化する。ところがこができるからである。オンネスが高純度化した水銀試料のの磁化は磁場の増加とともに階段状に変化するのである。

電気抵抗を測定したところ、4.2 K 付近で電気抵抗が突然リングを貫く磁束を調べてみると、ゼロになることを見つけた。しかし、ゼロ抵抗が本質的なφ0≡ものなのか、測定リードのショートのような測定ミスによh≈ 2.07×10−15 Wb2e⑴るものなのか不明であった。あるとき、たまたま試料の温の整数倍に量子化されていることが分かった。ここで、度が上昇してしまい、4.15 K を超えたところで突然抵抗が

φ０ は磁束量子、e は素電荷、h はプランク定数である。

現れた。すなわち測定リードのショートではなかった。超プランク定数は量子論的な不確定性関係と関わる定数であ伝導の発見は「常伝導の発見」という思いがけない形で確り、h → ０ の極限で量子力学が古典力学に一致するなど、認されたのである。

量子効果に由来する物理現象を特徴付ける定数である。古「超伝導状態にある電気抵抗はどのくらいゼロなのか？」

典電磁気学では、連続的に変えられるはずの磁束が、超伝という問いに対して、リング形状の超伝導体に「電源なし」導状態を貫通するときはトビトビの値しか取れない。こので電流を流し、この電流が時間とともにどの程度減衰する磁束の量子化は1948年にロンドンが予言した［ ８ ］。

か？という実験がマサチューセッツ工科大学の Collins ら1957年、バーディーン・クーパー・シュリーファーの三により行われた。測定はなんと ２ 年間にも渡って行われ、人によって提唱された BCS 理論は超伝導の微視的理論のしかも測定精度内で電流の減衰はないことが確認された。

決定版である。BCS 理論は、水銀で超伝導が発見されて超伝導リングを流れる電流の持続性については、磁束の量から46年間もの長い時間に蓄積された実験事実のほとんど子化の観点から、C. Kittle の固体物理学入門のなかで議論を整合的に説明した。シュリーファーが変分基底状態に辿されている［ ７ ］。熱的なゆらぎで超伝導リングの一部がり着くにあたって、核力に関する朝永振一郎の中間結合理常伝導状態になる確率を計算すると、ひとつの磁束量子が論のマネをしてみたら上手くいったという事実は、日本人リングから漏れるのに要する時間の目安が1040000000s となにとっては嬉しいエピソードである［ ５ ］。時代の進展とる。宇宙の年齢は137億年であるから、これを秒単位に換ともに、金属間化合物、有機物、重い電子系、銅酸化物高17算しても4.3×10 s にしかならない。従って、宇宙の寿命

温超伝導体、鉄ヒ素系高温超伝導体、そして最近では硫化のうちには磁束量子はひとつも漏失せず、電流は保持され水素 H２S というありふれた物質が超高圧力下で203 K で超る。

伝導になることが発見され［ ９ ］、水素化合物の超伝導研オンネスによる水銀の超伝導の発見後、鉛が7.2K で、究が活発に行われている。新規超伝導物質の開発は、一世スズが3.7K で超伝導になることが発見された。このよう紀以上にわたって途切れることなく発展してきた事実にもに超伝導が多くの物質で見られる普遍的な現象であること驚かされる［ ６ ］。今後の展開も興味深い。

が分かると、ほかの物理的性質を求めて、それらのメカニ超伝導の応用研究のひとつとして、リニアモーターカーズムを理論的に解明したくなるのは当然であろう。また、があげられる［10］。2015年には山梨リニア実験線にて実物質ごとに超伝導になる温度（これを転移温度といい Tc施された高速度試験において有人走行最高速度603 km/hで表す）が異なることがわかると、なるべく高い Tc をもを記録した。JR 東海は、リニア中央新幹線を2027年に、つ物質を探したくなるのも研究者の当然の心理であろう。

東京都－名古屋市間で営業運転を開始する方針を発表し「超伝導が現れる」ということが一種の相転移であり、た。東京－大阪間を約 １ 時間で結ぶことができるかも知れ電流が流れている状態が熱力学的に安定であることを示しない。また、リニア中央新幹線は、一人を １ km 運ぶ時のたのはオクセンフェルトとマイスナーである。彼らは超伝二酸化炭素排出量を他の交通機関と比較すると、航空機の導状態にあるスズの周囲の磁場を精密に測定した。常伝導半分以下、乗用車の約 ９ 分の １ の削減が見込まれる。クリー状態では、一定の磁場をかけると磁束は試料のなかに自由ンな電気エネルギーを有効活用し、浮上走行するため、騒に入っていくが、温度を下げて超伝導状態にすると磁束が音や振動も少なく、沿線の環境への影響を最小限に抑える

すべて超伝導体の外に排除される様子が観測された。これことができる。超伝導リニアは環境保全とスピードを両立

はマイスナー効果と呼ばれている。ただし、強い磁場をかする、新時代の交通機関といえるだろう。
もうひとつのトピックスとして超伝導素子を利用した量

けると超伝導状態は壊れてしまう。
上記のマイスナー効果では、穴の開いていない（幾何学子コンピュータが挙げられる。世界各国が開発を急ぐ背景でいう単連結な）超伝導体を考えたが、リング状の超伝導には、既存の半導体技術だけではコンピュータの高速化や体に外部から磁場をかけると、最初は単連結の場合と同様省エネ性能の改善に限界が見えてきたためである。カナダ― 143 ―

安塚周磨・大村訓史・鈴木貴の企業、Ｄウエーブ・システムズ社が量子コンピュータ

一方、理学の研究は「新発見」が魅力的な目標であるよを2011年に世界で初めて実用化した［11］。この量子コンうに思う。未知の現象、原理を発見するために、理学の研ピュータは、超伝導素子を利用したものではなく、東工大究者は、超高圧・極低温・強磁場など自然界に存在しないの西森らによる「量子アニーリング」を基礎にしたもので極限条件を人工的に作りだし、極限環境下での実験に挑戦ある［12］。D-Wave マシンは Google、NASA、ロスアラする。ヘリウムガスの液化に成功したオンネスのように、モス国立研究所などの巨大 IT 企業や米国政府研究機関に優れた理学の研究者は他の研究者がなしえない実験を行え納入され、クラウドでのユーザーも含めてその顧客は増える、優れた技術者（もっと言えば職人）としての側面があ続けている［13］。また、米グーグルにより、現在のスパり、また、それ故に新しい現象にも遭遇することができる

コンで約 １ 万年かかる乱数の問題を量子コンピュータではのであろう。そして、実験結果をよく見る観察力と、現象わずか ３ 分20秒で解くことが出来たというニュースは記憶を支配する原理を見抜く力、そして洞察力が要求されるのに新しい［14］。量子コンピュータの台頭はデジタル社会であろう。
物理学の場合、基礎研究から生まれた新しい技術シーズが新たな段階に入ることを意味している。

が一般社会に還元されるタイムスケールは、典型的には十４ ．超流動・超伝導と素粒子物理学年～数十年というところである。例として、トランジスタよく知られたビックバンのシナリオでは火の玉宇宙に始が発明されてからパソコンや携帯電話が世の中に溢れるほまり、その温度が急速に下がるなかで真空が相転移を起こどに普及するまでに約50年、初めてのレーザー発振が実現して現在の世界を形成したとされる。このシナリオの主要してから CD プレーヤーやレーザーポインターなど日常的な要素が素粒子の標準模型であり、超伝導・超流動と密接場面にレーザーが使われている今日までも約50年である。に関連している。超伝導の研究分野は他の物性研究分野と相対性理論が100年を経て、カーナビ等に使われる GPS の比較して、極めて高度に発展した研究水準にある。これは、基礎となっていることにも注目に値する。冒頭でも述べた

裏を返せば既に100年以上にもわたる超伝導研究の歴史のように、科学技術や研究のフロンティアは非常に早いス結果でもあるが、このような歴史的な意義を持つ科学の分ピードで進んでいる。従って、即効性のある研究や開発に野は稀である。しかも、この間、現代物理学の根幹をなす力を入れたとしても、その賞味期限は非常に短い。仮に今Ginzburg-Landau 理論や、対称性の破れの概念、質量発現すぐに役立つ研究に資金的投資を行ったとしても、10年後機構（Anderson-Higgs 機構）などあまりにも大きな物理には全く役に立たない技術になっている可能性が高い。実学上の基本原理が生まれ、その影響は多くの他の分野に絶際、10年前の携帯電話やパソコンを使用している人は、身大である。超流動・超伝導現象に関わる理論が素粒子物理の回りに何人いるだろうか？このように「役に立つものがや宇宙論へも拡がる普遍性を持つことも、この研究分野の有益」という発想は、テンポが速く予測の難しいこれから魅力のひとつと言えるだろう［ ５ ］。の時代では通用しない。学生への日々の教育でも感じていることであるが、基礎力こそ真の応用力なのである。演繹

５ ．社会における基礎研究の役割的思考の土台となる基礎研究ほど実用的なものはないとい私（安塚）は「物質と宇宙の物理」を担当して ７ 年になうことを強調して本稿を閉じたい。

る。その講義のなかで受講者に尋ねる質問がある。工学部

文と理学部の違いである。いくつか回答例をあげると、「理学部は基礎的、工学部は実用的な研究をする」、「工学部は献［ １ ］尾崎徹、鈴木貴、大政義典、北野保行、細川伸也、役に立つこと、理学部は役に立たないことを研究する」、「理接続型教育を目指して学部より工学部のほうが就職が良い」などである。学生が専門科目への接続の調査と改善、広島工業大学紀要両者に抱いているイメージは何となく分かる。

第４報

基礎物理科目から教育編、第 ９ 巻、27-36, 2010.

工学の研究は、目的意識や大義名分（いわゆる“出口”）［ ２ ］大槻義彦がはっきりしているのが特徴であり、工学における魅力的出版社）．

目標は「発明」であろう。高性能で低コストのデバイスや［ ３ ］佐々木祥介

セメスター物理現代物理学（学術図書

超流動・超伝導ってなんだろう（ダイセンサー、特殊な機能を持つ材料など、具体的な目的があヤモンド社）．

り、工学の研究は、それを実現するためにアイディアを練［ ４ ］勝本信吾、河野公俊ることから始まることが多い。工学の研究では、とりわけ［ ５ ］日本物理学会誌

Vol. 66, No. 10（2011）734.

発想が重要であるように思う。独創的な発想があって、は［ ６ ］日本物理学会誌

Vol. 63, No.１（2008） １ .

じめて発明と言えるからである。

［ ７ ］C. Kittle 固体物理学入門 第 ６ 版（宇良野良清、津― 144 ―超伝導と超流動（岩波書店）．

教養教育指向の物理教育の実践

屋昇、森田章、山下次郎

共訳［11］http://www.dwavesys.com/

丸善株式会社）．

［12］T. Kadowaki and H. Nishimori, Phys. Rev. B 58,［ ８ ］F. London, Phys. Rev. 74, 562 (1948)．

5355 (1998).

［ ９ ］A . P. Drozdov, M. I. Eremets, I. A. Troyan, V.
Ksenofontov, S. I. Shylin, Nature 525, 73 (2015).

［13］西森秀稔、大関真之、基本法則から読み解く物理学［10］http://www.linear-chuo-shinkansen-cpf.gr.jp/index.

最前線【18】巻「量子アニーリングの基礎」．

html［14］例えば、日本経済新聞― 145 ―

2019年10月25日（朝刊）．