誰もが物理学の問題について話しているようです:Peter Woit の本 Not Even Wrong 、Lee Smolin の The Trouble With Physics 、Sabine Hossenfelder の Lost in Math 彼らはより広い会話を始めました。しかし、物理学全体が本当に問題になっているのでしょうか、それとも一部だけでしょうか?これらの本を実際に読むと、いわゆる「基礎」物理に関するものであることがわかります。物理学の他のいくつかの部分は順調に進んでおり、その 1 つについてお話したいと思います。それは「凝縮物質物理学」と呼ばれ、固体と液体の研究です。私たちは凝縮物質物理学の黄金時代に生きています。
しかし、まず、「基礎」物理学とは何ですか?難しい用語です。物理学における真に革命的な発展は、基本的なものだと考えるかもしれません。しかし実際には、物理学者はこの用語をより正確に、狭い範囲で使用しています。物理学の目標の 1 つは、少なくとも原則として、物理宇宙について予測できるすべてのことを予測するために使用できるいくつかの法則を解明することです。これらの法則の探索は基礎物理学です。
細字は重要です。まず「原則として」。原則として、私たちが知っている基本的な物理学を使用して、水の沸点を非常に正確に計算できますが、計算が難しいため、まだ誰もそれを行っていません.第二に、「予測できるすべて」。私たちが知る限り、量子力学は物事には固有のランダム性があり、そのため予測が不可能であると言っています 、非現実的であるだけでなく、確実に実行します。そして、この固有の量子ランダム性は、カオスと呼ばれる現象によって、時間の経過とともに増幅されることがあります。このため、現在宇宙のすべてを知っていたとしても、1 年後の天気を正確に予測することはできませんでした。したがって、基礎物理学が完全に成功したとしても、物理世界に関するすべての疑問に答えを出すにはほど遠いでしょう。それでも重要なのは、これらの質問に答えようとするための基本的なフレームワークを提供してくれるからです。
現在のところ、基礎物理学の研究により、標準モデル (物質と 除く を除くすべての力を記述しようとする) が得られています。 重力) と一般相対性理論 (重力を記述する)。これらの理論は非常に成功していますが、これが最終決定ではないことはわかっています。暗黒物質の性質や、暗黒物質があると私たちを欺いているものなど、大きな疑問は未解決のままです。残念なことに、これらの問題の進展は 1990 年代以降、非常に遅々として進んでいません。幸いなことに、基礎物理学は物理学のすべてではなく、今日では物理学の最もエキサイティングな部分ではなくなりました。驚異的な新しい物理学が数多く行われています。そして、その多くは (決してすべてではありませんが) 凝縮物質物理学です。
伝統的に、物性物理学の仕事は、自然界に見られる固体と液体の特性を予測することでした。たとえば、水の沸点の計算など、これは非常に難しい場合があります。しかし今では、奇妙な新素材を設計し、実際に作るための十分な基礎物理学を知っています。 これらの材料を調べ、実験でその特性を調べ、それらがどのように機能するかについての私たちの理論をテストします。さらに良いことに、これらの実験は多くの場合、テーブルの上で行うことができます.ここには巨大な粒子加速器は必要ありません。
例を見てみましょう。謙虚な「穴」から始めましょう。結晶は、原子の規則的な配列であり、それぞれの原子はいくつかの電子を周回しています。これらの電子の 1 つが何らかの形でノックオフされると、「穴」、つまり電子が欠けている原子ができます。そして、この穴は実際に粒子のように動き回ることができます!隣の原子から電子が移動して穴を埋めると、穴は隣の原子に移動します。頭がむき出しの 1 人を除いて全員が帽子をかぶっている人々の列を想像してみてください。隣人が彼らに帽子を貸した場合、裸の頭は隣人に移動します。これが続くと、裸の頭が人の列を下っていきます。物の不在は物のように振る舞うことができます!
有名な物理学者ポール ディラックは、1930 年に正孔のアイデアを思いつきました。彼は、電子が負の電荷を持っているので、正孔は正の電荷を持つべきであると正しく予測しました。ディラックは基礎物理学に取り組んでいました。彼は、陽子が穴として説明できることを望んでいました。それは真実ではないことが判明しました。後の物理学者は、「陽電子」という可能性のある別の粒子を発見しました。反対の電荷を持つ電子のようなものです。こうして、同じ質量で反対の電荷を持つ通常の物質の邪悪な双子である反物質が誕生しました。 (しかし、それは別の話です。)
1931年、ヴェルナー・ハイゼンベルグは穴のアイデアを物性物理学に適用しました。彼は、電子が移動するときに電流を生成するのと同じように、正孔も同様に電流を生成することに気付きました。 「半導体」と呼ばれる材料の一部では、正孔が電流を運ぶことが明らかになりました。たとえば、アルミニウムを少し加えたシリコンです。さらに多くの開発を行った後、1948 年に物理学者のウィリアム ショックレーが、正孔と電子の両方を使用して一種のスイッチを形成するトランジスタの特許を取得しました。彼は後にこれでノーベル賞を受賞し、現在ではコンピュータ チップで広く使用されています。
半導体の穴は、基本物理学の意味での実際の粒子ではありません。それらは、電子の運動を考える便利な方法にすぎません。しかし、十分に便利な抽象化は、それ自体の生命を持ちます。穴の挙動を記述する方程式は、粒子の挙動を記述する方程式と同じです。したがって、穴を あたかも 扱うことができます それらは粒子です。正孔が正に帯電していることはすでに見ました。しかし、穴を動かすにはエネルギーが必要なため、穴は質量を持っているようにも機能します。など:私たちが通常粒子に帰属させる特性は、穴にも意味があります。
物理学者は、粒子ではないのに粒子のように振る舞うものを「準粒子」と呼んでいます。多くの種類があります。穴は最も単純なものの 1 つにすぎません。準粒子の優れた点は、非常に多様な特性を持ち、実際にオーダーメイドで作成できることです。量子物理学者のマイケル ニールセンが言ったように、私たちは今、「デザイナー マター」の時代に生きています。
たとえば、「励起子」について考えてみましょう。電子はマイナスに帯電し、正孔はプラスに帯電しているため、互いに引き合います。そして、正孔が電子よりもはるかに重い場合 (正孔には質量があることを思い出してください)、電子が水素原子の陽子を周回するのと同じように、電子は正孔を周回することができます。したがって、それらは励起子と呼ばれる一種の人工原子を形成します。存在と不在の幽霊のようなダンスです!
励起子のアイデアは 1931 年にさかのぼります。現在では、特定の半導体やその他の材料で大量の励起子を作ることができます。それらは長くは続きません。電子はすぐにホールに戻ります。多くの場合、これには 10 億分の 1 秒もかかりません。しかし、それは興味深いことをするのに十分な時間です。水素の 2 つの原子が結合して分子を形成できるように、2 つの励起子が結合して「二励起子」を形成できます。励起子は別の穴にくっついて「トリオン」を形成することができます。励起子は光子にくっつくことさえできます —光の粒子—そして「ポラリトン」と呼ばれるものを形成します。物質と光の融合です!
人工原子の気体を作ることはできますか?はい！低密度で高温では、励起子はガス中の原子と非常によく似ています。液体は作れますか？繰り返しますが、そうです。密度が高く、温度が低いと、励起子が互いに衝突して液体のように振る舞います。さらに低い温度では、励起子は粘度がほぼゼロの「超流動」を形成することさえあります。何らかの方法で渦を巻くことができれば、それは事実上永遠に続くでしょう.
これは、凝縮物質物理学の研究者が最近行っていることのほんの一部です。励起子に加えて、彼らは他の多くの準粒子を研究しています。 「フォノン」とは、結晶中を移動する振動から形成される音の準粒子です。 「マグノン」は磁化の準粒子であり、スピンが反転した結晶内の電子のパルスです。リストは続き、ますます難解になります。
しかし、この分野には準粒子以外にも多くのものがあります。物理学者は、光の速度が通常よりもはるかに遅い、たとえば時速 40 マイルの材料を作成できるようになりました。通常の 3 次元の空間と 1 つの時間の代わりに、2 つの空間次元と 2 つの時間次元があるかのように光が移動するマテリアルを作成することもできます。通常、時間は一方向にしか進むことができないと考えられていますが、これらの物質では、光はさまざまな方向から「時間を進める」ことができます。一方、空間での動きは 平面に限定されています。
つまり、凝縮物質の可能性は、私たちの想像力と物理学の基本法則によってのみ制限されます。
この時点で、通常、懐疑的な人が現れ、これらの機能が有用かどうかを疑問視します。確かに、これらの新素材のいくつかは役立つ可能性があります .実際、多くの凝縮物質物理学は、今説明したものほど魅力的ではありませんが、新しい改良されたコンピューター チップや、電子の代わりに光を使用する「フォトニクス」などの技術を開発するために正確に実行されています。フォトニクスの成果はどこにでもあり、薄型テレビのような現代の技術を飽和させていますが、物理学者は現在、光を使って情報を処理するコンピューターのような、より急進的なアプリケーションを目指しています.
その後、通常、他の種類の懐疑論者がやって来て、凝縮物質の物理学は「単なる工学」であるかどうかを尋ねます。もちろん、この質問の前提自体が侮辱的です。エンジニアリングには何の問題もありません!役に立つものを作ろうとすることは、それ自体が重要であるだけでなく、物理学について深く新しい疑問を提起する素晴らしい方法です。たとえば、熱力学の全分野とエントロピーのアイデアは、一部はより優れた蒸気エンジンを作ろうとする試みから生まれました。しかし、物性物理学は工学だけではありません。その大部分は、私がここで話してきたように、物質の可能性に関する青空研究です。
最近では、物性物理学の分野は、素粒子やブラック ホールの研究と同じように、やりがいのある新しい洞察に満ちています。また、基礎物理学とは異なり、物性物理学の進歩は急速です。その理由の 1 つは、実験が比較的安価で簡単であることと、探求すべき新しい領域が増えていることです。
したがって、誰かが基礎物理学の悲惨さを嘆いているのを見たら、真剣に受け止めてください。凝縮物質物理学に関する優れた記事を見つけて読んでください。すぐに元気になります。
ジョン・バエズは、カリフォルニア大学リバーサイド校の数学教授であり、シンガポールの量子技術センターの客員研究員です。彼は Azimuth で数学、科学、環境問題についてブログを書いています。
リード画像:Stef Simmons、UCL 数学および物理科学 / Flickr
この記事は、2021 年 2 月の「Wonder」号で初めてオンラインで公開されました。
