« 神を見失っていないか思い返すべきかも。 | トップページ | 諦観 »

光冷却。

レーザーで気体原子を、冷却できます。

液体ヘリウムを使った希釈冷却機でも、到達できない極低温にまでも、ものの数秒で気体原子が冷却できるのです。

到達できるのは、1µk、つまり、絶対零度より100万分の1度だけ高い温度なのです。

気体分子のレーザー冷却は、1980年代からものすごい勢いで研究が進み、1997年にはノーベル物理学賞の受賞対象になっていますよ。

 なぜ、気体原子を冷やすのですか。

原子を気体状態のまま冷却すると、物質、この場合は粒子の波動性が強く表れてくるからです。

粒子性と波動性の二重性の発見は、量子力学成立のきっかけを作ったと言っても良いことがらです。

この二重性は、光に始まり、電子、中性子と、続き、今ではほとんどの基本的な粒子に見つかっています。

この二重性は、どの大きさまで見出せるかが次の課題になり、最近ではルビジウムやナトリウムなど多くの原子で確認されています。

また、量子統計性と呼ばれる粒子の本質に関する検証にも、レーザーの冷却技術は使われています。

その成果の一つが、1920年代に予言され、1995年に実現した原子気体のボーズ・アインシュタイン凝縮です。

多数のボース粒子が、一つの量子状態を占めることで現れる物質の状態です。

ボソンとも呼ばれるボース粒子とは、力や相互作用に関連する仕事をしている粒子くらいに思っておいてください。

ボース粒子とは、スピン角運動量の大きさがプランク定数 hを円周率π2倍で割った値の整数倍の量子力学的粒子である、なんていってもぴんとこないでしょ。

ついでにいうと、物体を構成する役を主に荷なっているのが、フェルミオンとも呼ばれるフェルミ粒子です。

スピン角運動量の大きさがプランク定数 hを円周率π2倍で割った値の半整数(1/2, 3/2, 5/2, …)倍の量子力学的粒子、なんていってもぴんとこないでしょ。

フェルミ粒子には、基本的には、ボーズ粒子のように多数の粒子が、一つの量子状態を占めることはできません。

さまざまな基礎研究が出来るレーザーを使う気体原子の冷却にたいする、物理学者の期待は大きいといえるでしょうね。

 一般にレーザーを使う場合、基本的には燃やすとか溶かす目的で使うのではないですか。

確かに、金属を溶接したり、繊維を切断したり、手術でメス代わりに使うことさえ、あります。

光電効果で、どういうことが起きたか、覚えていますか。

 波長の短い光ほど、電子は勢いよく飛び出しました。

波長を長くしていくと、どうなります。

 どんなに光を強くしても、電子は飛び出さなくなります。

その場合の、電子は、どうなります。

 電子は、その場で振動するだけになります。

 飛び出すだけのエネルギーでなければ、光は熱に変わるだけです。

 光のエネルギーは、電子の熱エネルギーに変わっただけです。

光電効果のとき、光に、どのようなことが起きていると思いますか。

 波長が短いほど、電子は勢いよく飛び出しますね。

 それは、波長の短い光ほど、あたかも重い玉のように振る舞うからでしょ。

それだったら、波長が長い光でも、電子は出る可能性がありませんか。

 波長の長い光は、壊れやすい玉のように振る舞っている。

光は、壊れてますか。

 光は、あたかもバネのように振る舞っている。

そう見るのが、自然じゃありませんか。

バネは、反発力によって、ぶつかった相手を飛ばすこともできるが、衝撃を吸収することもできます。

 波長の短い光ほど反発力の強いバネのように振る舞い、波長の長い光ほど反発力の弱いバネのように振る舞う。

反発力の弱い、あるいは、反発力の低い素材は、衝撃吸収性の高い素材として、クッションや寝具に使われますよね。

 そういえば、低反発の枕、最近よく見かけますね。

低反発の素材でも、ちょっと反発力を高めると適度な硬さのクッションや枕になるでしょ。

 あれ、まるで、自分の体に合わせたオーダーメイドの枕やクッションのような、快適さですね。

低反発枕の良さは、寝返りを打っても、ちゃんと頭をその位置で支えてくれていることです。

一度使うと、もう手放せないですね。

つまり、適度な低反発力は、衝撃の吸収力があるわけです。

 それって、光の波長を適度に長くすると、電子や原子の動きを吸収できるということになるわけですね。

 低反発の枕やクッションのように。

光の波長を長くしていくと、まず、光の運動エネルギーの吸収から主に始めると考えられます。

 ぶつかった電子や原子は、ある程度よろけるけど。

さらに、波長を長くすると、今度は、電子や原子の運動エネルギーを吸収し始めると、当然、想像できるでしょ。

 ちょうど、衝突の衝撃を上手に吸収できる車体やエアクッションの開発みたいな感じですねえ。

歩行者などを包み込んで、保護できる車体の研究者もいるようですがね。

余談ですけど。

実際にも、レーザー光による気体原子の冷却は、周波数を厳密に制御して行います。

さらに、磁場なども使うと言うけれど、これは、気体原子に上手に光を当てられるようにしていると見て良いでしょう。

量子力学成立のきっかけとなった光の研究では、回折や干渉などで実際に波動性が観測されています。

波長による衝突の力の差は、ニコルス放射計や光電効果で知られていました。

だが、これくらいは、バネとの類推で説明できると言えます。

光の粒子性は、輻射の研究によってこれまでの仮説から現実へとなったといえます。

 つまり、光は小さなバネと見てよくなった。

だとしたら、量子力学の粒子性と波動性の二面性から、量子とは小さなバネのような存在であるというモデルを考えてもいい気はしますね。

 殻モデルと液滴モデルの中間と見た場合、あたかも、バネのように振る舞う…。

弾力性と剛性の両立と、波動性と粒子性の両立から言って、もっとも近いのはバネのように思えるのは勘違いでしょうか。

どこまでも、近似的なモデルとして、ですが。

|

« 神を見失っていないか思い返すべきかも。 | トップページ | 諦観 »

科学」カテゴリの記事

物理」カテゴリの記事

電磁」カテゴリの記事

コメント

コメントを書く



(ウェブ上には掲載しません)




トラックバック


この記事へのトラックバック一覧です: 光冷却。:

« 神を見失っていないか思い返すべきかも。 | トップページ | 諦観 »