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3 Physics Experiments that Changes the World

2013.05.01 - 2013.05.01

3 Physics Experiments that Changes the World （全1記事）

2016.06.01

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「原子はプリンではない」と発見　世界を変えた偉大な3つの物理実験

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現代の私たちがテクノロジーの恩恵を享受できているのは、物理学の発展があったからこそです。SciShowのスピーカーであるハンク・グリーン氏が、世界を変えた3つの物理実験を紹介しています。その3つとは、「ヘンリー・キャヴェンディッシュが重力を測る」「トーマス・ヤングが波を作る」「アーネスト・ラザフォードが原子はプリンでできていないということを発見する」。それぞれどういった点で世界を変えたのでしょうか？

史上初めて引力を計測することに成功

ハンク・グリーン氏：「物理」とは、物体と、それを取り巻く環境、つまり物理的な力が加わった場合や宇宙空間や時間などの影響により、その物体がどのように動くのかについての研究です。基本的に、なぜ宇宙が今このように動いているのかなどといった大きな質問に、大体の見当をつける目安になります。

実際、たくさんの質問について、答えはいまだに見出されてはいません。しかし、科学者が研究対象を見つけて研究し、答えを見つけたときは大発見となるのです。ですからこの5分間で、私が3つの史上最高の物理研究について早口で説明すると、こんな感じになります。

1つ目は、「ヘンリー・キャヴェンディッシュが重力を測る」です。

1797年、英国の超天才かつ孤独なキャヴェンディッシュは「ねじり玉の研究」を行いました。ねじり玉というと変な感じがしますが、これは引力の研究です。質量が少なくても相互に引力が作用するという、アイザック・ニュートンの主張を裏付ける研究成果を出した最初の人です。

彼が実験に利用した装置は複雑なものでしたが、その裏にある原則は単純なものでした。木製の棒がワイヤーから吊るされていて、そのワイヤーの両先端には4分の3キログラムの小さな鉛の球体がついています。そしてその小球体のそばにもっと大きな158キログラムの大球体をそれぞれ設置しました。

すると、少しずつではありますが、記録可能な範囲で小球体と大球体の間に引力が発生し、小球体が大球体に向かって動いたのです。

物体同士の引力を再現しただけではなく、この研究結果はキャヴェンディッシュが史上初めてその引力を計測することを可能にしました。木の棒がどれくらい動き、どれくらいの力がワイヤーにかかったのかをそのねじれ具合で測定することによって計測できました。

しかもそれにより彼はほかのさまざまなものにそれを当てはめることができました。例えば今で言う「引力定数」であり、現在ではこれを基に、どのような物体の間でも、生じうる引力の計算がされているのです。

ニュートンの考えを覆した男

2つ目は、「トーマス・ヤングが波を作る」です。

キャヴェンディッシュの研究から20年後、もう1人の英国人天才であるトーマス・ヤングは、ある研究により、我々の考えていた光についての概念を変革しました。今日ではその実験は世界中の教室で再現されています。当時物理学者たちは、光が、音と同じように、またはニュートンの主張した粒子の筋のような波長を描いてどのように動くのかを知ろうとしていました。

ヤングは、ニュートンの「仮説粒子」の主張は光の動く性質をあまり説明できてはいないと考えました。例えば、光が角柱を通るときに大気中をどう反射するのかといったことです。

それで、「仮説粒子」をテストすることにしたのです。まず部屋の窓を紙で覆います。そしてその紙に小さな穴をあけます。そしてそこから差し込む光を鏡に反射させ、スリットの入ったカードをそれに対し横向きに掲げると、光の筋は2つに分かれます。すると壁には交差する光の筋が映し出されるのです。

しかもその模様は水面の波にできる模様によく似ているのです。明るい光の筋に2つの波上の光が掛かり、暗い波の山が相互他の谷の放射と交わるのです。

ヤングが彼の発見をほかの学者に報告したとき、世界中が驚きました。なぜならそれと反するニュートンがその道での功績をたたえられていたからです。

しかし結論としては、光の道は実際に波状の特性を持っていることがわかりました。それにより科学的論争が巻き起こり、しかもそれが約200年もの間続いたのです。そしてヤングの実験は延々と繰り返され、精錬され、さらなる研究へと用いられることとなったのです。

結論から言いますと、ヤングとニュートンの両者の主張は両方とも、間違いでもあり正しくもあるということがわかっています。今日「粒子論」は、すべての粒子は粒子と波の両方の特質を持っていると断定しています。それは「粒子と波動の二重性」と呼ばれます。我々は「双方にとって好都合」と言えるでしょう。

史上初めて引力を計測することに成功

3つ目は「アーネスト・ラザフォードが原子はプリンでできていないということを発見する」です。

たくさんの現代物理学者の間でもとくに功績の多い学者は、アーネスト・ラザフォードと言えるでしょう。彼の研究は多くの発見につながりました。例えば半減期や、様々な種類の放射線の存在、つまりプラスのα線とマイナスのβ線の存在です。

しかし彼のこのような大胆な研究があったにもかかわらず、私たちは1900年初頭まで、原子がどのような形をしているのかわかりませんでした。そのとき電子がちょうど発見され、広く受け入れられていた理論は、正電荷の大きな雲の中に原子が閉じ込められてなかに浮かんでいる、というものでした。

その理論は「プラムプディングモデル」と呼ばれています。冗談ではありませんよ。おいしそうな名前ですが、ラザフォードが満足できるほど、原子の特徴について十分な答えを提出してはいませんでした。

そこで1909年、彼と彼の同僚のハンス・ガイガーとアーネスト・マースデンは実験を行いました。彼らは非常に薄く、原子をいくつか重ねたほどの厚みに圧縮できるほどやわらかい金箔にα線を照射しました。

もしプラムプディングモデルが正しくて、原子がただ大きな粒子の雲だとしたらα線は金箔を通り抜けられるはずでした。興味深いことに多くは通り抜けました。しかし、いくつかは通り抜けられませんでした。一部は大きな角度で散乱し、跳ね返るものもありました。

それゆえラザフォードは原子には小さく圧縮された核、原子核があると結論付けました。その正電荷がα線を偏向させ、電子は正電荷物質の中に漂っているのではなく、核の周りを、距離を保って回っているのだということがわかったのです。

それは現在われわれが知るところの核モデルにつながり、原子物理学の基盤となったのです。

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