物理学への道標

こんにちはコウジです。
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【1892年9月10日 ~ 1962年3月15日】

【出典：Wikimedia Commons：Arthur Holly Compton】

コンプトン効果

アメリカのコンプトンは波動の粒子性を示した実績と

マンハッタン計画で指導的役割を果たしたことで

知られています。コンプトンは1919年に英国の

キャンデビッシュ研究所に留学しました。

キャンでビッシュ研究所でガンマ線の散乱・吸収を研究します。
「波動のコンプトン効果」を発見するのです。

コンプトンの考えは今では量子力学の基幹をなしていますが、
大まかには以下の理解をしていれば良いと思います。つまり、

「微視的に物事を考え始めた時に粒子性と

波動性が同時に具現化する」

ということです。

コンプトンの考えで話を進めると自由電子により散乱された
X線量子がより長い波長となるという事実に対して

「波長が長くなる状態」つまり

「光線のエネルギーが落ちる状態」で

粒子性に着目して弾性散乱の視点で考えていくのです。

コンプトンの時代に物理学者が
粒子性と波動性を真剣に考えていきます。

コンプトンの微視的な視点　

なお、コンプトン効果そのものは
不確定性原理を直接用いずとも説明できますが、
**「波と粒子を同時に扱う思考」**を
物理学者に強く要求した点で、
後の量子力学の枠組み――とりわけ
不確定関係の理解へと自然に接続していきます。

具体的に量子力学では不確定関係という枠組みで
物事を考えますので２つの値が同時に確定しません。

例えば位置と運動量を同時に確定しません。また、
時間とエネルギーを同時に確定しません。但し、
時間×エネルギーや位置×運動量といった値を
物理量として確定出来るのです。

これは「作用と呼ばれる次元」の物理量です。
時間という物理量やエネルギーという物理量と
関連していますが異なります。

以上は量子力学を理解した人々には納得出来ても
一般の人々には中々説明がし辛い（しづらい）部分です。

誤解無く伝わっているかいつも不安になります。
そんな意識改革をコンプトンが進めていたのですね。
波動として考えていたガンマ線やX線に粒子性を見出したのです。

コンプトンとマンハッタン計画　

また、コンプトンはマンハッタン計画を進めた主要メンバーでもあります。
そもそも原子爆弾は原子炉の製造から計画しなければいけません。
計画の中でウランをプルトニウムに変換して、
プルトニウムとウランの混合物からプルトニウムを分離するプロセス
が必要です。コンプトンはこのプロセスをSEとして設計してプロジェクトが
進んでいく現場で働きました。

また、原子爆弾を
兵器として使用するには（敵国で）使用時に、
出来るだけ早くに最大限の攻撃力を発揮しなといけません。
そうした損傷兵器の仕組みをを設計する方法についても
コンプトンは計画をしていきました。

なお同計画はオッペンハイマーの設計もあり、
フェルミやローレンスとの議論も経ています。
全米の知能を集め計画を進めていたのです。

そしてコンプトンの業績はノーベル賞を初めとする
蒼々たる栄誉で称えられています。それと同時に、
マンハッタン計画の主導者として計画自体の是非を論じる際に
何度もコンプトンの名があがります。

もともとは、コンプトンはもともと星の好きな少年でした。
そんな所からガンマ線の究明に話が進みましたが、
彼の名はガンマ線検出の為のNASAの衛星に残されています。

〆

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Compton effect

Compton in the United States is known for its track record of wave particle nature and for its leadership role in the Manhattan Project. Compton studied abroad at the Candevisch Institute in the United Kingdom in 1919, where he studied gamma-ray scattering and absorption.

There he discovers the “Compton effect of waves”.
This idea is now the basis of quantum mechanics, but I think it is good to have the following general understanding. In other words, “when you start thinking microscopically, particle nature and wave nature are realized at the same time.” If we proceed with that idea, we will focus on the particle nature in the “state where the wavelength becomes longer”, that is, the “state where the energy of light rays falls”, in contrast to the fact that the X-ray quantum scattered by free electrons has a longer wavelength. Think from the perspective of elastic scattering.

Compton’s microscopic perspective

Specifically, in quantum mechanics, things are considered in the framework of an uncertain relationship, so two values ​​may not be fixed at the same time. For example, the position and momentum are not fixed at the same time. Also, time and energy are not fixed at the same time. However, values ​​such as time x energy and position x momentum can be determined as physical quantities. This is a physical quantity of a dimension called action. It is related to but different from the physical quantity of time and the physical quantity of energy.

The above is a part that is difficult to explain to the general public even if it is convincing to those who understand quantum mechanics. I’m always worried if it’s transmitted without any misunderstandings. Compton was promoting such a change in consciousness. He found particle nature in gamma rays and X-rays, which he thought of as waves.

Compton and Manhattan Project

Compton is also a key member of the Manhattan Project. In the first place, the atomic bomb must be planned from the production of the reactor. Therefore, a process is required to convert uranium to plutonium and separate plutonium from the mixture of plutonium and uranium. Compton designed this process as an SE and worked in the field where the project progressed.

In addition, in order to use an atomic bomb as a weapon, it is necessary to exert maximum attack power as soon as possible when using it in an enemy country, and Compton also plans how to design the mechanism of such a damaged weapon. I went on. The plan was also designed by Oppenheimer and has been discussed with Fermi and Lawrence. He was gathering intelligence from all over the United States and working on a plan.

And Compton’s achievements are praised for its lush honors, including the Nobel Prize. At the same time, as the leader of the Manhattan Project, he is often mentioned when discussing the pros and cons of the plan itself.

Originally, Compton was originally a star-loving boy. From that point on, we went on to investigate gamma rays, but his name remains on NASA’s satellite for gamma ray detection.

〆

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【1892年8月15日生まれ~1987年3月19日没】

【出典：Wikimedia Commons：Louis de Broglie】

名門家に生まれたド・ブロイ

ルイ・ド・ブロイはフランス貴族、公爵の血を引いてます。

その血筋は由緒正しいのです。そもそも、

フランス国王ルイ14世により授爵頂いていた

名門貴族・ブロイ家の血筋であって、ルイ・ド・ブロイは

直系子孫です。兄の没後は兄に子供が居なかった

事情もあって、正式に侯爵家の当主を務めています。

ルイ・ド・ブロイはフランスの首相を二期務めた第4代の当主である
アルベール・ド・ブロイの孫です。それだから、
ルイの生誕時に、その父は当時公子でした。
こんな逸話が沢山あるのですね。

そんなルイ・ド・ブロイは独自に優れた仮説を進め、

ド・ブロイ波（物質波）の考えにたどり着くのです。

ドブロイの物質波　

そのルイ・ド・ブロイの考えは初めは中々
理解されませんでした。関連して
超有名なエピソードがあります。

ルイ・ドブロイの博士論文の審査過程で教授達が
ド・ブロイの考えを理解出来ず、
かのアインシュタインに意見を求めたのです。

すると、
「ド・ブロイの考えは博士論文よりもノーベル賞に値する」
とアインシュタインから評価され、
絶賛され、更に物質波の考えを進めていく事が出来たのです。

その考えはパラダイムシフトでした。
粒子の二面性の考えは現代量子力学の根幹をなしていて、
とても大事な考えです。ドブロイを含めた学者達が議論を重ね、
当時の物理学の常識を変えていったのです。

物質の二面性

波が粒子性を持つのと同時に、
粒子であると考えられていた電子も、
実際には波動性を持つだろうという考え
がドブロイ波の本質です。

現代量子力学の理解ではこの二面性は当たり前ですが、

波動性を持つがゆえに、電子は
原子核の周囲で任意の状態を取れるのではなく、
ド・ブロイ波が干渉条件を満たす
定常状態のみが許されると考えられます。

それは「古典的な軌道」というより、
空間に広がった波としての電子が
特定の条件下でのみ安定して存在できる、
という量子力学的な描像です。

実際に我々は原子の周りを運動する電子を
直接の観測にかける事は出来ません。

しかし、水素、ヘリウム、リチウム、、と色々な原子を
考えていった時に、それらを構成する
陽子と中性子の結合条件を詳細に吟味した結果として
電子の軌道半径には規則があり、
ド・ブロイ波の理論が理に叶うのです。

逆に考えれば特定波長の整数倍の運動しか、
その電子が取る状態は許されないのです。

特定原子核の周りを回る電子は特徴的な波長の整数倍
を定常状態として周期運動を続け、定常状態間の遷移が
起きる際に放射線が生じる事実は、ドブロイを初めとする
考えがあってこそ成立する概念なのです。

それこそが電子の存在なのです。

実際に数年後にルイ・ド・ブロイは
ノーベル賞を受賞します。

いつの時代も中々、斬新な新しい考えは
理解出来されないものですね。

〆

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De Broglie was born into a prestigious family

Louis de Broglie is of the duke’s blood, a French aristocrat. The lineage is venerable. In the first place, Louis de Broglie is a direct descendant of the prestigious nobleman, the Broy family, who was conferred by King Louis XIV of France. He is officially the head of the Marquis family, partly because his brother had no children after his brother’s death.

Louis de Broglie is the grandson of Albert de Broglie, the fourth head of the French Prime Minister for two terms. So, at the time of Louis’ birth, his father was a prince at the time. There are many such anecdotes. Such Louis de Broglie advances his own excellent hypothesis and arrives at the idea of ​​de Broglie wave (material wave).

Matter wave of debroi

The idea of ​​Louis de Broglie was not well understood at first. There is a related super famous episode. During the process of reviewing Louis de Broglie’s dissertation, the professors could not understand De Broglie’s ideas and asked Einstein for his opinion.

Then, “De Broglie’s idea deserves the Nobel Prize more than his dissertation,” was evaluated and praised by Einstein, and he was able to further advance the idea of ​​material waves. The idea was a paradigm shift. The idea of ​​two-sidedness of particles forms the basis of modern quantum mechanics and is a very important idea. Scholars, including Matter Wave, had many discussions and changed the common sense of physics at that time.

Two-sidedness of matter

The essence of de Broglie waves is the idea that at the same time that waves have particle nature, electrons that were thought to be particles will actually have wave nature. This duality is natural in the understanding of modern quantum mechanics, but when we think that it moves periodically around a specific element because it has wave nature, it is said that the electron draws an orbit that is allowed only an integral multiple of the specific wavelength. You can think of it. In fact, we cannot directly observe the electrons moving around an atom.

However, when considering various atoms such as hydrogen, helium, and lithium, as a result of detailed examination of the bonding conditions of the protons and neutrons that compose them, there is a rule in the orbital radius of the electron, and de Broglie. The theory of waves makes sense. Conversely, the electron is only allowed to move an integral multiple of a specific wavelength.

The fact that electrons orbiting around a specific nucleus continue to move periodically with an integral multiple of the characteristic wavelength as a steady state, and radiation is generated when a transition between steady states occurs is only possible with the idea of ​​de Broglie. It is a concept to do. That is the existence of electrons.

In fact, a few years later Louis de Broglie will win the Nobel Prize. It’s hard to understand new ideas in all ages.

〆

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【1889年11月20日 ~ 1953年9月28日】

【Wikimedia Commons：Edwin Hubble】

ハッブルの意外な側面

ハッブルは近代の天文学者で、

ハッブルの法則等で有名です。

膨張宇宙論として理解出来ます。

そんな大天文学者ですが、高校時代は陸上で
イリノイ州の記録を更新したりしていました。

そんな少年時代は後の人生と全く違いますね。
そして、大学時代はボクシングでならし、
とあるプロモーターから世界チャンピオン
との一戦を持ちかけられた程の強さでした。

これまた意外ですね。

ハッブルの業績

ハッブルの業績で大きいのは赤方偏移の発見でしょう。

1929年、ハッブルはセファイド変光星の
「変光周期と絶対光度の関係」を用いて
銀河までの距離を測定しました。

その距離測定と、銀河スペクトルに見られる
赤方偏移を突き合わせることで、
銀河が距離に比例して遠ざかっている
という関係を見いだしたのです。

赤方偏移とはドップラー効果を考慮した考えで
観測可能な大部分の銀河の光が
**波長の長い方向（赤い色の方向）**へ
ずれて観測される現象です。

遠ざかっていく救急車の音が鈍くなっていくと
思い出してください。（これは「音」での話）

ハッブルが考える宇宙論では無論、直接の実験は出来ません。
使える理論も検証の為に理論が必要となる学問体系でした。

反面ハッブル提唱の赤方偏移は宇宙理論に明快な方向性
を与え、次の考えに繋がっていくのです

その後のハッブルの軌跡

赤方偏移の考えから
膨張宇宙論の考えが裏付けられ、ひいては
ビックバーン理論へとつながっていったのです。

また、我々が暮らす銀河と
別の銀河を見つけた業績も特筆すべきです。

〆

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The surprising side of Hubble

Hubble is a modern astronomer who is famous for Hubble’s law, which characterizes the theory of expanding cosmology. Although he is such a great astronomer, he used to break records in Illinois on land when he was in high school. Such a boyhood is completely different from later life. And when I was in college, I was so strong that I was able to get used to boxing and a promoter offered me a fight against a world champion. This is also surprising.

Hubble’s achievements

Hubble’s achievements will be the discovery of a redshift. He derived the idea of ​​redshift by observing the relationship between brightness and variable period from the observation of Cepheid variable stars in 1929. Redshift is a phenomenon in which the light of most galaxies that can be observed is biased toward a shorter wavelength (red direction) in consideration of the Doppler effect. Recall that the sound of an ambulance moving away is slowing down. Twice

Hubble’s cosmology, of course, does not allow direct experiments. The theory that can be used was also an academic system that required theory for verification. On the other hand, Hubble’s redshift gives a clear direction to the theory of the universe and leads to the next idea.

Hubble’s trajectory after that

The idea of ​​redshift supported the idea of ​​expanding cosmology, which in turn led to the Big Burn theory.

Also noteworthy is his achievement in finding a galaxy different from the one we live in.

〆

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【1889年8月1日生まれ ~ 1979年8月10日没】

【出典：Wikimedia Commons：Walther Gerlach】

　実験家ゲルラッハ

ゲルラッハはシュテルンと共に行った

実験で有名です。

本ブログの中でのシュテルンのご紹介は関連人物を中心としており、
実験内容が伝えられていませんでした。それなので、
ゲルラッハと実験内容について語りたいと思います。

その実験はゼーマンとローレンツによる実験と通じる部分があります。
古典的な考えだけでは説明出来ない量子力学的な状態である
「縮退」を考慮する必要があるという結論に繋がります。

ゼーマン効果ではナトリム原子からの電磁波が対象で
波動的側面から現象が理解できます。一方で
ゲルラッハの実験では加熱して蒸発した銀粒子が対象
ですので粒子的側面から現象が理解できます。

其々の実験対象において磁場をかけた時に縮退が
解けていく様子が観察されます。

古典的な予測では輝点に幅が出ると予想されます。
二つの輝点に分かれる現象は古典的に説明が出来ません。

実験の歴史的意義　

具体的にゲルラッハとシュテルンが行った実験では、
銀原子がもつ磁気モーメントが磁場中で分離される様子が観測されました。
これは後に電子スピンの存在によって理解される現象です。

加熱された銀粒子がビーム状に放射されている時に
ビーム経路に対して垂直に磁場をかけます。

壁に当てたビームの輝点を見てみた時に古典論では輝点は一つです。
所が、ゲルラッハとシュテルンの実験では
「縮退の解けた」2点がはっきりと見てとれたのです。

量子力学的な考えに従うと、電子はスピンを持ち、
磁場に対して同じ方向のスピンと逆の方向のスピンが存在します。
だから、磁場に対する軌跡が異なるのです。

この実験はゲルラッハが実現したようですが
シュテルンがドイツから亡命していた事情と、
政治絡みの判断、が相まって当初は
ゲルラッハの名は表に出ませんでした。

後日談　

さて、話を現代に近づけると、
2012年に日本で半導体内部に対して
同じ原理を使い同じ結果を得てます。

アイディアの種は色々な所にありますね。

強磁性体外部磁場を用いずに電子のスピン
を揃えることに世界で初めて成功_2012年12月

https://www.ntt.co.jp/journal/1212/files/jn201212058.pdf

〆

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Famous experimenter Gerlach

Gerlach is famous for his experiments with Stern. The introduction of Stern was centered around related people, and the content of the experiment was not communicated. I would like to talk about Gerlach and his experiments. The experiment has some similarities to the experiment by Zeeman and Lorenz. It leads to the conclusion that it is necessary to consider the degeneracy of quantum mechanical states that cannot be explained by classical ideas alone.

In the Zeeman effect, electromagnetic waves from Natrim atoms are targeted, and the phenomenon can be understood from the wave side. On the other hand, in the Gerlach experiment, the target is silver particles that have been heated and evaporated, and the phenomenon can be understood from the particle side. It is observed that the degeneracy is released when a magnetic field is applied to each experimental object. The classical prediction is that the bright spots will be wider. The phenomenon of splitting into two bright spots cannot be explained classically.

Historical significance of the experiment

Specifically, in the experiments conducted by Gerlach and Stern, the electron spins in the silver particles are separated by a magnetic field. When the heated silver particles are radiated in a beam shape, a magnetic field is applied perpendicular to the beam path. When you look at the bright spots of the beam that hits the wall, there is only one bright spot in classical theory. However, in the experiments of Gerlach and Stern, two points that were “degenerate” were clearly visible.

According to quantum mechanics, electrons have spins, and there are spins in the same direction and spins in the opposite direction to the magnetic field. Therefore, the trajectory with respect to the magnetic field is different. This experiment seems to have been realized by Gerlach, but the name of Gerlach was not revealed at the beginning due to the combination of Stern’s exile from Germany and political judgment.

Later talk

Now, let’s get closer to the present age. In 2012, we used the same principle inside semiconductors in Japan and obtained the same results. There are many seeds of ideas.

World’s first success in aligning electron spins without using ferromagnets or external magnetic fields_December 2012

https://www.ntt.co.jp/journal/1212/files/jn201212058.pdf

〆