有名なノーベル賞がなぜサッカー選手に授与されたのでしょうか?

「私が成功を成し遂げることができたのは（そして今年のノーベル物理学賞も）あなたの画期的な貢献のおかげです。ですから、あなたが私より先にノーベル賞を受賞したことは、本当にありがたいことです。」

1922年11月のある日、デンマークのコペンハーゲン大学理論物理学研究所3階のオフィスで、デンマーク王立科学アカデミー会員でコペンハーゲン学派の学長でもあったニールス・ヘンリク・ダヴィド・ボーアは、コーヒーを置き、万年筆を取り出してインクを入れ、便箋を広げて厳粛にこの文章を書き、遠く日本にいるアインシュタインに至急送るよう助手に頼みました。

2年前に出会って以来、2人は辛辣な言葉や果てしない議論を交わしてきたが、お互いを尊敬し、評価し合ってきた。彼らは敵でもあり友人でもあり、彼らの物語は科学界の伝説となっている。

ボーアはノーベル賞委員会にノミネートされたことを知ったとき、不安を感じた。なぜなら、彼、プランク、アインシュタインはいずれも量子論に貢献したが、アインシュタインは彼らの研究を統合し、彼より先に賞を受賞すべきだったと感じたからだ。

幸いなことに、ノーベル賞委員会は、アインシュタインとボーアがそれぞれ 1921 年と 1922 年にノーベル物理学賞を受賞したことも発表しました。彼は安堵し、アインシュタインに上記のメッセージを書いた。

ソルベイ会議におけるボーアとアインシュタイン 出典: Global World Network

実際のところ、ボーアのテキストメッセージに書かれていた「いくつかの成果」は、まったく控えめなものでした。サッカーを愛する彼は、量子力学の研究において先人たちの足跡をたどり、電子エネルギーレベルの原子構造モデルの理論を提唱し、原子構造の安定性の問題を解決し、現代物理学の礎を築き上げました。そのため、彼は量子物理学の「ゴッドファーザー」として知られています。

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サッカー場における物理学

1903 年の夏、18 歳のボーアは優秀な成績でデンマークのコペンハーゲン大学の自然科学部に入学し、物理学を専攻しました。

彼には二つの大きな趣味があります。一つは物理学を勉強することです。彼は大学1年生の時に、3年生の前半の物理学の授業を独学で修了したと言われています。もう一つはサッカーを好きになることです。入学して半年も経たないうちに、彼は学校のサッカー部のゴールキーパーになった。

サッカーの試合中、彼はよくチョークを持って行き、ボールが相手陣内にあるときは、ゴールフレーム上の物理式をチョークで計算していました。ボールが自陣に入ってくると、彼はすぐにチョークを投げ捨ててゴールを守った。彼は大学卒業間近の頃、サッカーの代表チームに選ばれ、多くの大会に出場しました。

数年後、ボーアは仕事の合間の息抜きや気分転換としてサッカーをしながら、原子物理学の研究分野に専念した。彼はまた、ナショナルチームのトレーニングや競技会に参加する時間も取り、科学界で有名な「科学者のスター」となった。

若き物理学者ボーア 画像提供: Physics Bimonthly Network

高校 3 年生の時、ボーアは学校で目立つ存在になり始めました。彼は液体の表面張力に関する論文でデンマーク科学アカデミーから金メダルを受賞した。この論文は後に原子物理学の研究において重要な手がかりとなった。

1911年、博士号を取得したボーアはさらなる研究のためにイギリスへ渡りました。彼は最初、ケンブリッジ大学でトムソンが率いるキャベンディッシュ研究所で学んだ。半年後、彼はマンチェスターに急行し、物理学の巨匠アーネスト・ラザフォードの科学研究チームに加わり、それ以来、ラザフォードのお気に入りの生徒となった。

ボーアは師をとても尊敬していたので、末っ子にアーネスト・ボーアと名付けました（中国と西洋の文化は異なり、中国人は先人たちと同じ名前を持つことを非常に嫌うのです）。

ボーアはラザフォードが提唱した原子構造の惑星モデルに非常に興味を持っていました。当時、多くの科学者が原子構造の研究に取り組んでいましたが、その中で最も人気があったのはラザフォードの惑星モデルでした。

この理論では、原子の内部は太陽系のようなもので、原子核は太陽のようなもので、電子は惑星のようなもので、原子核の周りを常に回転し、電子の軌道は変化するとされています。

原子モデルの進化。画像出典: Physics Bimonthly Network

この理論には明らかな問題がある。既知の理論によれば、電子が電磁放射を放射した後、その軌道はエネルギー損失により小さくなり、原子核の周りを回り続けるのではなく、最終的には原子核に崩壊します。

問題は正確にはどこにあるのか？ボーアは、師の理論に合理的な説明を見つけようと決心した。

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「2月の変化」に関する新理論

合理的な説明を見つけるのは簡単ではありません。原子構造があまりにも微細で観察できないため、実験を行うことが困難であり、実験は絶対に不可能です。最善の方法は、まず合理的な理論を確立し、次に物理的な公式を使用して理論を検証することです。

理論的な研究では適切な物質の選択が必要です。すべての物質の中で、水素は最も単純な構造を持っています。 「水素原子または水素のような原子の構造を研究するだけです。」この考えを念頭に置いて、ボーアは新たな研究に着手しました。

1912年、ボーアはデンマークのコペンハーゲンに戻り、水素原子の構造の研究に専念しましたが、ほとんど進歩はありませんでした。

翌年の2月、同僚のハンセンが彼を訪ねてきて、数学者バルマーのスペクトル線の波長に関する実験式について言及したとき、ボーアは突然、ある考えを思いつきました。惑星が万有引力によって太陽の周りを一定の軌道で回っているのなら、電子も特別な力によって特定の軌道で原子核の周りを回っているのではないか？

この点を証明するには、バルマーの経験式に似たものをリストし、計算用のデータをインポートするだけです。偶然の会話を通じて研究の方向性を見つけ、すぐに成果を上げたことが、ボーアの人生における「2月の転機」だった。

数学者バルマー 出典：Physics World Network

すぐにボーアは原子構造に関するまったく新しい理論を提唱しました。水素原子の核内の電子は通常、電磁波を放出することなく特定の距離の軌道に沿って回転するというものでした。これらの軌道はエネルギーレベルと呼ばれます。電子がエネルギーレベル間を移動すると、電磁波が放出され、エネルギー損失により最終的に元の電子核に戻ります。数式の計算を容易にするために、彼はこれらのエネルギーレベルを大胆に「量子化」しました。

すぐに彼は、水素原子を例にエネルギーレベルの式と軌道半径の式を列挙しました（図を参照）。

数え切れないほどの精密な計算を経て、ボーアは自らが提案した原子構造が妥当であると判断した。

1913 年 7 月から 9 月にかけて、ラザフォードの勧めにより、ボーアの原子モデルに関する長文の論文「原子と分子の構造について」が、ロンドン王立協会の「哲学雑誌」に 3 号にわたって掲載されました。この論文は水素原子の構造と特性をうまく説明し、電子エネルギーレベルの原子モデル（後に「ボーアモデル」と呼ばれる）を正式に提案しました。

この論文は有名なボーアモデルの「三部作」です。

ボーア模型の提案は量子論の発展の歴史における画期的な出来事です。以前、プランクとアインシュタインは量子化の概念を使って黒体放射を説明しましたが、ラザフォードの惑星モデルは単なる原子構造の演繹に過ぎず、何の説明もありませんでした。

ボーア模型により、人々は量子の持つ驚異的な力をさらに認識するようになり、量子理論は活発な発展の段階に入りました。

03

全国でグランプリ受賞を祝う

ボーアが原子構造モデルに関する重要な論文を完成させた後、彼の名声は高まり、マンチェスター大学、コペンハーゲン大学などの大学で教授として採用されました。彼は1917年にデンマーク王立科学アカデミーの会員に選出された。

彼は決して怠け者ではなかった。 1920年9月、彼はデンマークにコペンハーゲン理論物理学研究所（後に「ボーア研究所」として知られる）を建設することを計画した。

当時、この研究所では主に量子力学を研究し、ハイゼンベルク、パウリ、ランダウ、ヘルヴィヒなどの優れた物理学者が集まりました。自由と平等の学問的雰囲気の中で、コペンハーゲン学派が誕生し、物理学界に大きな影響を与えました。

コペンハーゲン理論物理学研究所 出典: Physics World

原子モデル、量子論研究、物理学の推進に対するボーアの重要な貢献を考慮して、ノーベル賞委員会は彼に1922年のノーベル物理学賞を授与することを決定しました。

このニュースがデンマークに伝わると、国中の人々が衝撃を受けた。私たちの国は牛肉や小麦を生産しているだけでなく、ノーベル賞を受賞した偉大な科学者も輩出しているのだ。

オフィスでは同僚たちがボーアのためにケーキとシャンパンを用意し、中には陽気なバイオリン演奏をする人もいた。家に帰る途中、誰もが彼に挨拶し、道端のアイスクリームショップのおじいさんは彼に無料のホットドリンクまでくれました。ドアを開けると、子供たちは彼に温かいキスをし、妻はおいしい料理をテーブルに用意してくれました...

その後数日のうちに、全国各地から祝福の電報が雪のように舞い込み、その中には指導者ラザフォードからの心からの祝福の言葉も含まれていた。ボーアのサッカー愛が再び取り上げられ、デンマークの新聞は一般的に「有名なサッカー選手ニールス・ボーアにノーベル賞が授与される」という見出しを使った。

ボーアの受賞に関するレポートの画像出典：Physics Bimonthly Network

名誉に直面しても、ボーアは冷静さを保っていた。

彼はアインシュタインに「自分より先にノーベル賞を取るべきだ」という手紙を書いた後、ノーベル賞授賞式に出席するためにスウェーデンのストックホルムに単身赴いた。

彼はその会議で素晴らしい基調講演を行った。演説の最後に、彼は良いニュースを発表しました。周期表の72番目の元素が正式に確認されたのです。当時、多くの科学者がこの元素を見つけようとしましたが、成果はありませんでした。

これは、ノーベル賞委員会と物理学界に対するボーアの最高の贈り物です。

終わり

Tadpole Musical Notation オリジナル記事、転載の際は出典を明記してください

編集者/肖希土碩