アインシュタインが「物理学で最も美しい実験」と呼んだ実験を行ったのは誰ですか?

1895 年にレントゲンは X 線を発見しましたが、X 線とはいったい何なのでしょうか?

物理学者は、X線は電磁波であると信じています。彼は、X線の波長が結晶内の原子（イオン）間の距離に近い限り、結晶にX線を照射すると電磁波の干渉現象が観測できると想像しました。彼の励ましを受けて、2人の若者がこの実験を行い、1912年に成功しました。X線は結晶を通過する際に干渉し、フィルム上に規則的なパターンを形成しました。結晶の微視的法則を説明したこの実験は、アインシュタインによって「最も美しい実験」と賞賛されました。

そしてこの物理学者はマックス・フォン・ラウエでした。

「X線は粒子の流れだと考える人が多いですが、私はやはり電磁波だと考えています。ただ、まだ誰もそれを証明できていないだけです。」

1909 年の夏、ドイツのミュンヘン大学物理学部の会議室で、若い物理学教授マックス・フォン・ラウエが興奮して話しました。

出席者の中には、レントゲンの学生であるクニッピング、ゾフィー教授の助手であるフリードリヒ、ミュンヘン大学で物理学のトップ学生であるエルヴァルなど、彼の同僚も数人いた。

私たちは頻繁に集まり、お互いをよく知っているので、より直接的に話します。

ドイツのミュンヘン大学。画像出典: 留学ネットワーク

ヨーロッパ、さらには世界でも最も権威のある総合大学のひとつであるミュンヘン大学には、20世紀初頭に非常に人気があった二人の有名な教授がおり、そのうちの一人がラウエでした。

ラウエは素晴らしい講義を行うだけでなく、同僚をセミナーに招待することもよくありました。セミナーのテーマは、当時の最先端の技術や新しい科学的概念であることがほとんどでした。

1908 年から、ラウエの研究のテーマは X 線の性質の探究でした。 1895年、物理学者レントゲンは偶然にX線を発見し、最初のノーベル物理学賞を受賞しました。

それ以来、その本質的な問題についての議論は非常に白熱しており、激化傾向にあります。

ラウエ氏が座談会で発言した場面です。

同僚らが新たな放射線について議論

ラウエはエヴァル、ニッピングらと激しい議論を交わしたが、誰も相手を説得することはできなかった。

「X線を固体に照射し、照射条件で判断することは可能でしょうか？」エヴァルは突然提案した。

「干渉が起こるかどうかを確認するには、X線を使って結晶を照らす必要があります。これは、固体の内部構造と動きが複雑すぎるのに対し、結晶の内部構造は単純で一定の規則性があるからです。」ラウエは、「干渉が起こるなら、X線は電磁波である」という考えも思いついた。

波の回折現象の模式図、出典：New Physics Network

ラウエの言うことはもっともだ。波には屈折、干渉、回折という現象があります。 X 線も光のように屈折したり干渉したりするのであれば、X 線は電磁波であるに違いありません。

問題は、X線の波長が非常に短く、屈折率が非常に小さいことです。当時の技術では、科学者はその屈折をまったく観察できませんでした。ラウエは、X 線の干渉や回折を観察することによってのみ、X 線が電磁波であるかどうかを証明できました。

結局のところ、X線の研究は数年にわたって行われており、ラウエはまさに的を射た研究を行ったのです。しかし、彼はこの点を証明するためには高度な実験を計画しなければならないことも理解していました。彼の友人アインシュタインも同じことを言いました。

最も美しい新しい実験的発見

待つ人には良いことが起こります。ラウエが実験を行うためにエヴァルトのような同僚を探す準備をしていたちょうどその時、フランスのフランクフルト大学などの有名大学を訪問するようにという通知が届き、この遅れは3年間続きました。

1912 年の春、ミュンヘン大学に戻るとすぐに、彼はエルヴァルトとフリードリヒを見つけ、X 線の性質を調べる実験を始めました。

彼はエヴァルに、連続X線光源、写真フィルム、そして写真フィルムの半分の大きさしかない正方形のチップを含む一連の装置を作るように依頼した。

実験中、彼はまずフリードリヒに自然光を遮るように頼み、次にX線光源と写真フィルムを約1メートル離してテーブルの上に平らに置き、最後に四角いチップを光源とフィルムの真ん中に置いた。

彼らは、写真フィルムに斑点のグループが規則的に並んでいることを観察しました。明らかに、斑点のクラスターは、正方形のウェハーを透過した X 線によって生成されます。

ラウエが発表したX線結晶回折実験の結果は、

画像出典: Physics Bimonthly Network

「これは回折現象のはずだ」とアーヴァル氏は語った。 「回折現象は、X線が電磁波の性質を持っていることを示しています。」

「それは理にかなっています。しかし、偶然だと言われるのを防ぐために、さらに数個、少なくとも 10 個のチップを試してみる必要があります」とラウエ氏は強調しました。

次に、実験でチップをさまざまな異なる材料に置き換えたところ、フィルム上に斑点の集まりが現れました。つまり、X 線がウェハを透過すると回折が発生します。

回折とは、波が伝播中に波長の短い物体に遭遇した場合、波はその物体を迂回して伝播し続けることを意味します。音波がその最たる例です。

すぐに、ラウエはX線に関する論文を発表しました。論文では、光の回折理論から始めて、幾何学的手法を用いて結晶中のX線の回折理論を説明しました。最後に、彼は、X 線は将来重要な用途を持つことになる一種の電磁波であると結論付けました。

彼は記事の中で、X線照射を受けたさまざまな結晶によって生成される回折パターンは、結晶内部の原子分布パターンを反映することもあると指摘した。これがX線回折の基本原理です。

ラウエの実験原理、画像出典：New Physics Network

アインシュタインは親友の論文を読んだ後、結晶の微視的法則を明らかにしたこの実験は「物理学で最も美しい実験」だと絶賛した。ラウエはこの功績により1914年のノーベル物理学賞も受賞した。

ラウエによって発見されたX線回折理論は、後に金属や合金の結晶構造の研究に応用され、多くの重要な新発見につながりました。

X線回折の発見はX線分析の発展を促進しました。技術革新に伴い、コンピュータ技術と組み合わせることで結晶研究の分析速度と精度が向上しました。

そのため、科学者たちは鉱物の原子構造を研究し、地球深部にある岩石を撮影するためのX線回折計を発明しました。

地球の正確な「胸部X線写真」を撮影できるのは、まさにX線回折理論のおかげだと言えます。

一方、ラウエは理論から実験へと進み、X線は電磁波の特性を持ち、結晶にぶつかると回折することを証明した。この理論は固体物理学の発展を効果的に促進し、固体物理学における画期的な発見となりました。

科学的な模範となる人物を称賛

ラウエは、X線の結晶回折の発見によりノーベル賞を受賞した後、チューリッヒ大学、フランクフルト大学、フンボルト大学などの大学で教鞭をとり、教師や学生から好評を博しました。

1919年、彼はベルリン大学の物理学教授としてドイツに戻った。それ以来、彼はドイツに住み、ドイツ物理学会の会長に選出され、ドイツの物理学界の権威の一人となった。

ラウエの公式ノーベル写真、Physics Bimonthlyのウェブサイトより

正直なラウエはナチスの怒りを買い、一時は自由を制限された。しかし、彼は何度も同僚を救い、科学の尊厳を維持し、業界の尊敬を勝ち取るために最善を尽くしました。

1946年にロンドン王立協会が主催した国際結晶化会議では、各国の科学者が彼を「尊敬すべき人物」「科学者の模範」と称賛した。

1957年、フランス政府は科学者の尊厳と自由を擁護した功績を称え、ラウエにレジオンドヌール勲章を授与した。

ラウエとノーベル物理学賞に関して興味深い話があります。

1940年、ドイツはデンマークを占領し、ナチス政府は科学者ボーアの研究室を捜索するために軍隊を派遣した。ボーアはラウエから託されたノーベル賞メダルを非常に重要視していた。彼は化学者ハーシーの助けを借りて、ノーベル物理学賞の純金メダルを王水（塩酸と硝酸の混合物）で溶かし、メダルを災難から救った。

9年後、シカゴ市はノーベル賞返還式を開催し、市長は鋳造されたメダルをラウエ氏に返還した。これもノーベル賞の歴史に残る美談となりました。

ドイツはラウエの百周年を記念して切手を発行した。画像出典: Physics Bimonthly Network

終わり

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編集者/アクア