身近だけど見ることが難しい原子の世界
 私たちの身の回りにある物質は、いくつかの「原子」が組み合わさってできているよね。この原子同士はどうやって組み合わさっているのかというと、原子の外側にある「電子」のやり取りで成り立っているよ。電子は原子の外側を決めるだけでなく、原子同士をくっつけたり離したりして、原子の配列の位置や化学反応を決定する役割があるよ。なので原子のことを深く理解するには、電子の動きを理解するのが重要になってくるよ。
 原子や電子の動きを理解するにはどうしたらいいか？どうにかして写真を撮るように静止画を得たいと考えてきたよ。動きを観るために静止画を得る。これはマクロの世界でも一緒だよね。例えばハチドリや昆虫の羽は毎秒数十回も羽ばたくから、普通に撮影しても羽の部分はボヤけてしまうよ。きちんと撮影するには、撮影時間をなるべく短くし、1回の羽ばたきより短い速度で撮影するしかないよね？この原則は、電子の動きを見る場合も変わらないよ。ただし、電子の動きは信じられないほど高速なので、これがメチャクチャ難しく、今まで観ることは不可能だったよ！
 一応、研究者たちはその手前として、原子の動きを静止画で観ることを試みていた時期があるよ。原子は電子よりはるかに重くて動きが遅いので、電子そのものを見るよりは難易度が幾分か下がるよ。と言っても原子の動きも高速なので、やはり一筋縄ではいかなかったよ。原子の動きを見るには10フェムト秒から100フェムト秒の時間だけ光を当てなければならないよ！そのようなものすごく一瞬だけ光を当て、原子の動きを見る「フェムト秒パルス光」は、1980年代後半にアハメッド・ズウェイル氏によって初めて実現し、これは1999年のノーベル化学賞となっているよ。ところが、電子の動きはこれより更に100倍から10万倍も高速！なのでフェムト秒パルス光でさえ、電子の動きを見ることは不可能なので、更に一段上のパルス光が必要となってくるよ。
 
 電子の動きを見るのは今までの方法だと不可能！
 短い時間の光を当てれば高速な現象も見ることができる。単純だけどとてもわかりやすいね。実際この種の研究は、レーザー登場以前の1949年のマイクロ秒スケールから時間を短くしてく努力の積み重ねで成り立っているよ。しかし、電子の動きは1アト秒から100アト秒という短さなので、電子の動きを見るには「アト秒パルス光」が必要となってくるよ！もはやどんな単位？ってなってくるよね。今までフェムトとかアトとか出てきたけど、これはナノやマイクロやミリのように、大きさを表す接頭語をつけた単位で、フェムトとは10^(-15)つまり1000兆分の1、アトとは10^(-18)つまり100京分の1を表す接頭語だよ。とはいえ1アト秒と言われてもピンとこないよね？1アト秒刻みの目盛りで1秒を計るのは、1秒刻みの目盛りで宇宙の年齢138億年を計るのと大体同じスケールだよ！え？これもよくわからない？そうかもね～。
 ただ、アト秒の世界を見るというのは、今までのフェムト秒までの世界を見るのとは話が全く違ってくるよ。というのは、アト秒程度になると「短い時間の光を当てれば」という前提を成り立たせるのが困難だからだよ。光というのは振動する波の性質を持っているので、1秒間に何回か振動しているわけだね。例えば私たちの目で見ることができる可視光線は、1秒間に約500兆回振動しているよ！光でモノを見るということが成立するには、当てた光が最低でも1回分振動する時間が必要になってくるよ。つまり光が1回振動するより短い現象というのは、原理的には光を当てて見るという行為が不可能となってしまうよ！実際、従来のパルス光技術で実現可能だった光の長さは、最も短いもので6フェムト秒だったよ。これは原子の動きを見るには十分でも、電子の動きを捉えるにはあまりにも時間が長すぎる光なんだよね。これより振動周期の短い光は、そもそもパルス光はおろか、パルス光の素となるレーザーにできないなどの問題があったから、短い時間だけ光を当てて電子を見ることは不可能だと考えられるようになったよ。

カテゴリ: 物理
質問: 原子の動きを見るために光を当てる時間は、フェムトを使わずに表すと何秒ですか。
回答: 原子の動きを見るには10フェムト秒から100フェムト秒の光を与える必要があり、フェムトとは10^(-15)つまり1000兆分の1です。よってそれぞれ10×1/1000兆=1/100兆、100×1/1000兆=1/10兆より、原子の動きを見るために、フェムトを使わずに光を当てる時間を表すと100兆分の1秒から10兆分の1秒です。

カテゴリ: 物理
質問: 電子の動きを見るために光を当てる時間は、アトを使わずに表すと何秒ですか。
回答: 電子の動きを見るには1アト秒から100アト秒の光を与える必要があり、アトとは10^(-18)つまり100京分の1です。よってそれぞれ1×1/100京=1/100京、100×1/100京=1/1京より、電子の動きを見るために、アトを使わずに光を当てる時間を表すと100京分の1秒から1京分の1秒です。