物性物理学・統計物理学の世界
 
−手のひらの上の宇宙−

私が研究しているのは「物性理論」とか「統計物理学」とか呼ばれる分野です。そういうと、あまりなじみのない分野と思われるかも知れません。少し科学技術に興味のある人は、物性物理学といえば人によってはハイテクの基礎研究として工学の一分野のように感じている人もあるでしょう。たしかに正直言って、物理学の中で、「いずれは世の中の役に立つ」といういいわけが一番成立しやすい分野であることは確かです。特に、最近のように「大学は社会のニーズに答えよ」とか何とか風当たりが強くなると、ついそういういいわけをしたくなるし、それも重要には違いないとは思います。しかし、科学が本当に大事なのは、それが人間がこの世界の成り立ちについて筋道の通った理解をしたいという知的な欲求の発露だからだと思います。それは決して金儲けをしたいとか、生活を便利にしたいとか、環境問題を解決したいとかいう(それももちろん大事なことですが)良くも悪くも実利・実益に動機づけられたものではありません。

そういう目から見たとき、物性物理学というのはどのような面白さがあるのでしょうか。たとえば、普通、物理というものに引かれた人が、まず、はまるのが相対性理論でしょう(私もそうでした)。それから、宇宙の始まりのビッグバン、素粒子の統一理論といったことにも目を奪われるでしょう。そして、こういったことは日常とかけ離れたことだがそれだからこそ夢がある、勉強してみたいとあこがれが生まれてくるのではないでしょうか。それに引き替え、私たちの身の回りにある物質の性質を解明する「物性物理学」はこういったこととはあまり関係がなくて、役には立つけれど地味で泥臭くて面白くない分野と思われているかも知れません。それはとんでもない間違いです

たとえば、相対性理論によると光より早く走れる物体はなく、物体の速度が光の速度に近づくと質量が増えたり縮んで見えたり「ふしぎ」に見えることが色々おきます。けれども、それを実際に観測するのは大変でいわゆる「ビッグ・サイエンス」になり、たまたまそれに関与することができたとしても、何百人ものメンバーの一員でしかなく、自分の手の中でそのような現象にふれたという実感を得るのは難しいでしょう。しかし、たとえば金属の中の電子の振る舞いを見るとちょうど光速の代わりに電子の波の速度「フェルミ速度」が出てくるのです。ですから、「相対論的効果」がずっと小さな速度・エネルギーで目に見えてきます。そのうえ、固体中には電子だけでなく格子振動のエネルギーのかたまり(量子)であるフォノンや磁性を持った波(スピン波)の量子であるマグノンなどのいろいろな粒子があってそれぞれにとっての「光速」が違っていて、それが互いにぶつかり合っています。しかもそれらはミクロの世界の法則「量子力学」に従っています。ですから、普通の相対論の世界よりもっともっと面白い現象が色々出てきます。そして、それほど豊かな物理が実験室の小さなサンプルの中で実現しているのです。それだけではなく、宇宙の創生、素粒子の質量の起源などに相当する現象も固体の中で起きています。そういう意味で、固体の中は「手のひらに乗る宇宙」です。

しかも、物性物理学の楽しさはそれだけではありません。物質の中には2次元的、1次元的な構造を持った物質もあります。我々の住んでいる宇宙は3次元(時間も入れると4次元、普通3+1次元といいます)ですが、こういった物質の中では2次元、1次元の宇宙が実現しています。このように物性物理学の世界では次元性という宇宙の枠組みまで異なる世界を現実のものとして作り、実験し、理論的に理解することもできるのです。現在ではこのような1次元の物質は非常にたくさん作られていますが、これを記述する理論の出発点は1+1次元の相対論的な場の理論です。そして、これらの物質の中にはそれぞれの物質の特徴を反映して多様な宇宙が存在するのです。2000年度のノーベル化学賞をもらった白川先生の作ったポリアセチレンは、このような1次元的な物質の代表的なものです。また、高温超伝導体として有名な一連の銅酸化物は2次元的な構造をもっていて、この構造が超伝導の実現と重要な関わりがあると考えられています。ちょっと逆説的ですが、一見極めて限られた狭い世界のように見える小さな固体のサンプルの中で起きている現象が、宇宙全体よりもむしろ幅広い多様性をもっているのです。

また、理論物理学という立場からすると、現実の世界とはかけ離れているけれど「理論として」面白い理論というのが色々あります。こういった理論は得てして、面白いけれど机上の空論ということで批判されがちです。しかし、物性物理学の世界では必ずしもそうではありません。理論的に面白い現象が予見されたらそれが実現するような物質を実際に作ることができる場合があるのです。もちろん、原理的に実現できないような現象もあるわけで、その辺の現実感覚は重要ではありますが、たとえば、2001年度のノーベル物理学賞を受けた「原子のボーズ・アインシュタイン凝縮」などという現象は、初めて理論的に予言されたときは(というかつい数年前までは)そんなことが現実に観測可能だとは思われていなかったでしょう。ですから、ちょっと極端な言い方かも知れませんが、この分野ではあまり実現可能性などということを気にしないで面白い理論を追求することも重要だと思います。そういう意味で、理論物理学の面白さを自由な発想で追求したい人にも物性物理学はおすすめの分野です。

ただ、面白いことをやって生きていこうと思うとやはり現実的なリスクは付き物です。残念なことに、現在の日本では、物性理論分野に限らず、一般に理論物理学のどんな分野で博士号をとっても、その後研究者としての職を得るのは非常に困難な状況です。(もともと困難だったところに、大学教官(特に助手)の定員削減(需要の減少)と大学院生の増加(供給の増大)が起きているわけで当たり前の結果ですが)その意味で手放しで理論物理学の分野に進学すること、特に博士後期課程まで進学することを勧めることは残念ながらできません。そういったことを含め、大学院をめざすに際しての実際的なアドバイスについてはこちらをちょっとのぞいてみて下さい。