- 臼田 孝, 2022: 宇宙を支配する「定数」 — 万有引力定数から光速、プランク定数まで (ブルーバックス B2194)。講談社, 262 pp. ISBN 978-4-06-527329-6.
2022年2月の新刊。新書判 縦書き。
— ここから 2022-12-29 加筆 —
同じ著者による、つぎの本がさきに出ていた。
- 臼田 孝, 2018: 新しい1キログラムの測り方 — 科学が進めば単位が変わる (ブルーバックス B2056)。講談社, 246 pp. ISBN 978-4-06-502056-2. [読書メモ]
著者は、産総研の計量標準総合センター長で、物理量の単位に関して日本を代表するたちばにある人だ。2018年に、キログラムをはじめとする国際単位系 (SI) の単位の標準が変更された。「キログラム」の本は、そのあたらしい単位、とくにキログラムが、どのような計測によってきめられたかを解説した本だ。わたしは、その本を読もうと思ったが時間がとれないうちに、同じ著者によるもう1冊の本が出た。自然科学、とくに地学の授業をする参考として、物理定数の本のほうを優先して読むことにした。
1983年以来、長さの単位のメートルは、まず時間の単位の「秒」を原子の振動にもとづいて決め、光速の値を定数としてあたえることによって定義されている。背景として、相対論によって光速が基本的な物理定数であることが定まったことと、長さの測定よりも時間の測定のほうが精度を高くすることができたことがある。
重力に関する万有引力定数も基本的な物理定数だが、その測定精度は有効数字 4けたまでなので、これを質量の単位の根拠とすることができない。
質量や温度や電磁気関係の量の単位の根拠に採用された基本的な物理定数は、電気素量、プランク定数、ボルツマン定数だ。(アヴォガドロ定数はボルツマン定数に関連するものとして話題になっている。)
まだ時間の単位の根拠が個別の種類の原子の振動にもとづいているが、これが普遍的な物理定数にもとづくものにおきかえられれば、SI単位系は、いわば自然単位系の定数倍になる。
なお、物理定数は時間とともに変わるか、という疑問はのこっている。いまのところ、変化している証拠はないが、変化していないともいえない。
折りかえしのあとに 目次をつける。
== 目次 ==
はじめに — 「永久不変の存在」を求めて
もくじ
第1部 物理定数とは何か — 原子に刻まれたものさし
第1章 物理定数とは何か — 根源的な法則に現れる「固有の値」
– 1-1 法則と定数
– – 「物理法則」とは何か
– – 「根源的な法則」を求めて
– – 万有引力定数の普遍性
– – 決して変わることのない法則と定数
– – 物理定数の値をどう測るか
– – 観測と実験 — 科学を進歩させる両輪
– 1-2 「単位」とは何か
– – 人類最古の「ものさし」
– – 物理定数を単位に!
– – 原器の質量は増えたのか減ったのか?
– 1-3 科学と数学のふしぎな関係 — 物理定数と数学定数
– – 「数学定数」とは何か
– – 科学と数学の違い
– 1-4 「不確かさ」という考え方
– – 「真の値」を知りうるか?
– – 信頼性を評価する
第2章 物質と定数 — 光が解き明かす極微の世界
– – 原子に刻まれたものさし
– 2-1 光とは何か
– – 光とスペクトル
– – 「波」としての光
– – 太陽からのメッセージ ・ 分光学の誕生
– – 「消えた光」の謎
– 2-2 原子固有の「バーコード」
– – 「線スペクトル」とは何か
– – “奇跡の年”
– – 原子の構造
– 2-3 原子に刻まれたものさし
– – スペクトルの分裂 — 測る技術の進歩が見せてくれること
– – 「超微細構造」とは何か
– – 目盛りの細かい「ものさし」
第2部 「時空」を支配する定数 — 時間、光速、万有引力
第3章 時間を刻む「原子の振り子」 — 「時間を測る」とはどういうことか
– 3-1 時間 — 人類最古の基準
– – 測定技術の進歩が生み出した基準のほころび
– – サンゴはなぜ満月の夜に産卵するのか
– – 「不定時法」の時代
– – 大航海時代のものさし
– – 時計のメカニズム
– – 地球の自転から公転へ — 秒の定義の変遷
– 3-2 原子時計の誕生
– – 原子を単位の基準にする時計
– – 原子時計のメカニズム
– – 天文時間から原子時間へのバトンタッチ
– – 「唯一の正しい原子時計」は存在しない
– – 「うるう秒」はなぜ必要か
– 3-3 「定数を測るものさし」の誕生
– – 一般相対性理論を体感できる時計
– – 自然のしくみを解き明かす「強力な手段」
第4章 光速「c」 — 不変にして宇宙の「上限速度」
– 4-1 光の速さは有限か
– – 衛星「イオ」に注目せよ
– – 天文学的距離における三角測量
– 4-2 観測から実験へ
– – 史上初の「光速」測定実験
– – フーコーの工夫
– 4-3 電磁波の発見
– – 「波動方程式」に基づく予言
– – 発見者はヘルツ
– – 見えてきた光速測定への道
– 4-4 「長さ」をめぐる計測問題
– – 国際メートル原器が抱えていた問題
– – 更新されたメートルの定義
– 4-5 特殊相対性理論の登場 — アインシュタインの卓見
– – 光速不変の原理
– – 否定されたエーテル
– 4-6 光速を測定する — 間接的手法の開発
– – 30センチのものさしで300メートルを測る!?
– – 「光周波数チェーン」の開発
– 4-7 決定された光速の値
– – なぜ「9桁」なのか
– – 「超光速粒子」の発見?
– – 光速を用いた「長さ」の定義
第5章 万有引力定数「G」 — 万物をつなぎとめる「糸」
– 5-1 ニュートンが考えたこと
– – ティコ・ブラーエとケプラーの仕事
– – ニュートンの導き出した結論
– – 未知のままでよかった万有引力定数
– 5-2 万有引力定数を測定する
– – ニュートンから100年後の実験
– – 実験ゆえのメリット
– – 小さい力を測定する難しさ
– 5-3 ゆらぐ万有引力定数
– – 万有引力定数は「不変」ではない?
– – さまざまに工夫された実験
– – 増していく「不確かさ」
– – 盤石な万有引力理論
– 5-4 質量とは? 力とは?
– – 質量がもつ「二つの顔」
– – 質量の単位を万有引力定数に置き換えることは可能か
第3部 「ミクロの世界」を支配する定数 — 電気素量、プランク定数、ボルツマン定数
第6章 電気素量「e」 — 電気と力のキャッチボール
– 6-1 「目に見えない」力への探求
– – マクロな現象は理解できても … …
– – 電気に関する現象に現れる定数
– 6-2 引力と斥力 — 「力」から電気と磁気の本質に迫る
– – 「ヘラクレスの石」
– – 「逆二乗則」現る
– – 電気の「量」とはどういうものか
– – 電池の果たした役割
– 6-3 「場」と定数
– – 「場」が及ぼす影響とは
– – 物理定数を減らしたマクスウェル
– 6-4 電流の基準をつくる — 「現示」の試み
– – 力を介して「未知の対象」を測る
– – 「100万分の1の精度」を達成
– 6-5 「電気の正体」を求めて
– – 最小単位をもっていた電気量 — 「量子」の発見
– – 科学における「大きな決断」
– 6-6 量子電磁気学の出現
– – 人類が手にした究極の理論
– – 量子電磁気学がもたらしたルール
– 6-7 電気素量を定義する
– – マクロから見るか、ミクロから見るか
– – 「電流」の定義として
– – 定義値から実験値へ
第7章 プランク定数「h」 — 量子力学の代名詞
– 7-1 エネルギーの最小単位 — 奇想天外な「量子」と向き合う
– – 世界観を変えた「二つの仮定」
– – その「比例定数」に意味はあるか?
– – エネルギーと光
– – 光量子仮説
– – 物理学の基本原理へ
– – E = m c2 と プランク定数
– 7-2 ミクロとマクロの架け橋
– – ニュートン力学との整合性
– – どこまで正確に測定するか
– – 巧妙な実験装置
– 7-3 プランク定数と質量の関係
– – プランク定数の定義値
– – 定義値になった意味とは
– – 質量の定義としてのプランク定数
第8章 ボルツマン定数「k」 — 熱とエネルギーの変換係数
– 8-1 温度とは何か
– – 温度の定量化は難しい
– – 水の三重点
– 8-2 「絶対零度」の発見と熱力学温度
– – 気体が「体積ゼロ」になる温度
– – 「熱エネルギーの度合い」を示す温度
– – アボガドロ定数
– – 熱エネルギーと状態方程式
– – ボルツマン定数と原子論
– 8-3 エントロピーとは何か
– – エントロピー増大の法則
– – ボルツマン定数とエントロピー
– – 原子論の夢破れ … …
– 8-4 ボルツマン定数を測定する
– – 「100万分の1」より高精度を目指して
– – 音や電子を駆使して
第4部 宇宙の進化と物理定数 — 果たして「一定不変」か?
第9章 物理定数を「決定する」とはどういうことか
– 9-1 物理定数は「決める」? 「決まっている」?
– – – 〈光速〉
– – – 〈万有引力定数〉
– – – 〈電気素量とプランク定数〉
– – – 〈ボルツマン定数〉
– 9-2 全宇宙共通の単位
– – 単位と次元
– – 「自然単位系」とは何か
– – プランクの考え
– 9-3 「無次元の定数」とはどのようなものか
– – 「同じ尺度」で測る
– – 微細構造定数の特徴
– – 「宇宙共通言語」としての無次元定数
第10章 物理定数は「不変」か
– 10-1 進化を続ける宇宙
– – 宇宙の始まり
– – 宇宙の95パーセントは未知
– 10-2 物理法則と「四つの力」
– – ゲージ理論とゲージ粒子
– – – 〈強い力〉
– – – 〈弱い力〉
– – – 〈電磁気力〉
– – – 〈重力〉
– – 果たして「力の統一」は可能か
– 10-3 物理定数の「不変性」を測る — 「21世紀版ピサの斜塔」から物理定数の「化石」まで
– – 万有引力の法則と等価原理
– – 物理法則の「化石」があった!
– – 「過去」を照らすサーチライト
– – 原子時計を物理定数のセンサに
第11章 定義値の「その先」へ
– – 物理定数の異なる世界
– – 物理定数の測定が拓く科学
– – そしてまた「次の一桁」へ
おわりに
本書で取り上げた物理定数の最新値
参考文献
さくいん