誰だ？無数の原子が一斉に歌う（パート1）

量子論が確立される以前は、室温では原子ガスは常に不規則な高速熱運動の状態にあると一般に信じられていました。それは、ビリヤードのボールの群れが走り回り、絶えず互いに衝突しているようなもので、原子間の相互作用は古典力学のさまざまな運動法則に従います。

しかし、これらの原子をレーザー冷却すると、その温度は絶対零度（uK（マイクロケルビン）のオーダー）に近づきます。原子の運動速度は急激に低下し、量子効果は非常に顕著になり、原子間の相互作用は「ド・ブロイ波」によって簡単に記述できるようになります。

0 1 「ボース・アインシュタイン凝縮」 - 物質の素晴らしい第5形態

1924 年という早い時期に、フランスの物理学者ド・ブロイは、光が波と粒子の二重の性質を持っているので、すべての物理的粒子 (原子や電子など) も独自の波動特性を持っているはずだという大胆な仮説を提唱しました。言い換えれば、物理的な粒子は実際には一種の「物質波」であり、自身のエネルギーに対応する波長を持っています。

具体的には、原子に対応する物質波の波長は次の式を満たします。

物理的な関係

パラメータ m と v はそれぞれ原子の質量と速度です。

原子の速度が減少すると、原子に対応するド・ブロイ波がそれに応じて増加することを見つけるのは難しくありません。たとえば、室温条件（約 300 K）では、ヘリウム原子に対応するド・ブロイ波は約 0.09 nm（ナノメートル）です。この波長はヘリウム原子間の平均間隔よりもはるかに小さいため、マクロな量子特性を反映することはできません。ヘリウム原子が絶対零度（μKレベル）に近づくと、ド・ブロイ波は原子間の平均間隔に近い約1600 nmまで増加します。そのため、低温条件下の原子気体は物質波の「コヒーレントな重ね合わせ」を経験し、古典世界とは異なるマクロな量子重ね合わせ状態、すなわち「ボーズ・アインシュタイン凝縮（ BEC ）」を形成します。

この時点で、個々の原子はもはや独立して動くことはなく、多数の原子と一緒に動作し、集合的なマクロな量子特性を示します。すべての原子は「スーパー原子」のように均一です。この素晴らしい物質の形態は、固体、液体、気体、プラズマに続く第 5 の物質形態とも呼ばれています。

では、無数の原子が「一斉に歌う」この素晴らしい物質の状態が、 100年前にアインシュタイン (A. アインシュタイン) によってどのように予測できたのでしょうか?その発見は物理学者 S.N. とどのような興味深い話と関係があるのでしょうか。ボーズ？次に、100年前の科学的な手紙を開いてみましょう。

02 100年前の科学的推測 - ボースの手紙

1924 年、インドの物理学者ボースは新しい統計的手法を使用して、光子を記述するプランク分布の法則 (つまり、黒体放射の式) を再導出しました。しかし、ボーズの研究結果はいくつかの物理学雑誌によって拒否された。そこで、失敗を受け入れたくないボースは、相手が研究結果を科学的に判断してくれることを期待して、遠くドイツにいるアインシュタインに研究結果を直接送りました。

1924年、アインシュタインはボースから学術論文（ドイツ語に翻訳されたもの）を受け取った。

（画像出典：Springer Nature） 参考文献 [1]

ボースの手紙を読んだ後、アインシュタインはこの研究結果の重要な価値を認識しました。彼はそれを自らドイツ語に翻訳し、ドイツの学術誌「Journal of Physics」に投稿して出版した。その後、1925 年にアインシュタインはボーズの理論を質量のある単原子ガスの理想的なケースに拡張し、ボーズの理論をさらに裏付けました。

1925年、アインシュタインは「一原子理想気体の量子論」と題する学術論文を発表した。

（画像出典：Wiley Online Library） 参考文献 [2]

アインシュタインは推論の過程で、興味深い現象を痛感しました。原子ガスの総数が一定であれば、原子間に相互作用がなくても、十分に低い温度では、これらの原子は物質形態の変化を起こし、すべての原子が最低エネルギーで同じ量子状態に凝縮するのです。

この素晴らしい物質状態では、原子ガス間のド・ブロイ波が互いに重なり合い、それぞれの運動状態が完全に同期します。この時点で、すべての原子は完全に一貫した物理的特性を持ち、単一の波動関数を使用して原子ガス全体のマクロな量子特性を記述できます。したがって、すべての原子は 1 つの「超原子」、つまりボーズ・アインシュタイン凝縮体に凝縮すると考えられます。

「ボーズ・アインシュタイン凝縮」における原子状態の模式図。

対応する特性温度はそれぞれ 400nK、200nK、50nK です。

（画像提供：JILA、コロラド大学ボルダー校） 参考文献 [3]

結論

では、温度が十分に低いレベルに達する限り、あらゆる種類の原子がこの素晴らしい「ボーズ・アインシュタイン凝縮」を実現できるのでしょうか?物理学者は「ボーズ・アインシュタイン凝縮」を実験的に実現したのか？

次の旅では、好奇心と疑問を持ちながら、「ボース・アインシュタイン凝縮」についてのさらに興味深い物語を発見していきましょう。

著者：

ルアン・チュンヤン、中国移動通信公社の量子ハードウェア研究者、清華大学物理学博士

王宇同、博士、清華大学物理学科

査読者: 羅慧謙、中国科学院物理研究所研究員

企画：翟国清

制作：中国科学普及協会

参考文献

[1] ボーズPlancks gesetz und lichtquantenhypothese[J]。物理学の時代、1924 年、26(1): 178-181。

[2] アインシュタイン A. 理想的な気体の量論。 Zweite Abhandlung (単原子理想気体の量子論、パート 2)[J]。 SBd プロイス。アカド。ウィス。 Ber, 1925, 1(3)。

[3] JILA - コロラド大学ボルダー校。 URL https://jila.colorado.edu/.

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