2021/08/16

サイエンスノーベル賞
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アインシュタインとは?「相対性理論」などの発明・生涯について詳しく解説

アインシュタインといえば、舌を出している写真でよく知られた物理学者です。

世界的に最も有名な物理学者と言っても過言ではありませんが、実際にどのようなことを成し遂げたのかについてまでは、詳しく知らない方も意外と多いのではないでしょうか。

この記事では、彼の華々しい功績と世界に衝撃をもたらした20世紀最大の理論についてご紹介したいと思います。

 

目次

アインシュタインとは?

相対性理論など物理学の認識を根本から変える論文を数多く発表

20世紀に活躍した世界中の天才たちの中でも、アインシュタインは大きく群を抜いている存在です。

ニュートン力学などが代表する従来の古典物理学の常識を根本から覆す理論をいくつも発表し、物理学会のみならず世界中の人々の度肝を抜きました。

アインシュタインが存在する前の物理学と、彼が登場してからの物理学では、その常識が大きく変化しています。

さらに、その影響力は科学の領域に留まらず、経済学や哲学、政治、軍需技術などの多くの領域に及び、まさに20世紀の世界を大きく変えた人物であるといっても過言ではありません。

 

ノーベル物理学賞をはじめコプリ・メダルなど多くの受賞歴を持つ

アインシュタインは1922年のノーベル物理学賞受賞をはじめ、1925年にコプリ・メダルという科学業績を称える最も古い歴史のある賞を受け取るなど、数々の受賞歴を持っています。

アインシュタインは幼少期からほとんど独学に近い形で数学や物理学を学び、大学卒業後も物理学会では無名の特許局職員として働いていたため、後のこれらの華々しい受賞歴は世間を驚かせました。

 

アインシュタインの生涯

数学の才能があり9歳でピタゴラスの定理を自力で証明

偉大な数学者、物理学者は幼少期の頃からその才能を示す神がかったエピソードを持っていることが多いですが、アインシュタインもその例にもれず、9歳の時にピタゴラスの定理を自力で証明したと言われています。

後に偉大な功績を残す、彼の数学的才能を示唆するエピソードと言えるでしょう。

 

チューリッヒ連邦工科大学を卒業後は特許庁に就職

アインシュタインはチューリッヒ連邦工科大学で物理学を学んだ後、大学に残ることはせずに特許庁へ就職しました。

この就職先は、特許申請中である最先端の発明理論や数式を毎日目にする仕事であったことから、彼にとって刺激的な日々を過ごすことになります。

また、物理学に好きなだけ没頭できる環境でもあったため、仕事を続けながら理論の研究と論文の執筆を独自に続けました。

 

特殊相対性理論やE=mc²の公式など数々の重要な論文を発表

1905年にアインシュタインは3つの論文を発表します。

この年は「奇跡の年」と呼ばれ、アインシュタインが発表した「特殊相対性理論」「光量子仮説」「ブラウン運動」に関する論文は、それまでの物理学に大きな影響を与えるものでした。

特に特殊相対性理論については、発表当初は無名の特許庁職員が書いたものとして物理学界からは受け入れられませんでしたが、マックス・プランクの支持を得たことにより次第に受け入れられるようになりました。

 

1921年ノーベル物理学賞を受賞

アインシュタインは1921年、光電効果を発見した功績によってノーベル物理学賞を受賞します。

相対性理論について受賞する可能性もありましたが、理論の内容が「人類に大きな利益をもたらすものといえるのか疑問」との声があったことや、「ユダヤ的」であるといった学界著名人の批判があったため、それらを避けるために光電効果を受賞理由として挙げたと言われています。

 

ナチスドイツから迫害を受け人生後半はアメリカに亡命

第二次世界大戦が起きてから、ユダヤ人であったアインシュタインはナチスドイツからの迫害を避けるために、ドイツからアメリカへ亡命をしました。

1935年にはアメリカ国籍と永住権を取得し、その後生涯にわたりドイツに戻ることはありませんでした。

 

第二次世界大戦後は平和活動を行う

アメリカの広島への原子爆弾投下により終戦を迎えた世界大戦でしたが、この原始爆弾が作られた理論が自分の発表したものが元になっていることにアインシュタインはひどくショックを受けたと言います。

その後、彼は平和活動に努めて核兵器の廃絶を訴えるようになりました。

1955年に行われたイギリスの哲学者バートランド・ラッセルとその他第一級の科学者11名との連名によって行われた、米ソの水爆実験競争の廃絶を求めたラッセル=アインシュタイン宣言が特に有名です。

 

アインシュタインの功績

特殊相対性理論、一般相対性理論

アインシュタインが発表した理論の中でも、最も有名なのが相対性理論です。

相対性理論は、光速度不変の原理(光の速さはどの慣性系においても変わらず一定である)という前提に基づいた理論であり、観測者の移動速度が光速に近づけば近づくほど時間が伸び縮みすることを唱えました。

この革命的な理論は、それまでの物理学の常識を根底から覆し、それまでは絶対的に不変な存在と考えられていた時間の概念を大きく変えるものでした。

ちなみに、相対性理論は「特殊相対性理論」と「一般相対性理論」に分けられ、前者が重力に関係しない状況を想定した簡易版であるのに対し、後者はその理論を一般的な場面のすべてに適応可能な理論といった違いがあります。

 

ブラウン運動

ブラウン運動は流体や気体の中のある粒子が不規則に運動する現象のことで、19世紀に発見されてからその理由はわからないままでした。

ところが、1905年にアインシュタインが、粒子のその不規則な運動が、媒質に存在する分子のランダムな衝突によるものであることを発表し、後に実験によって証明されます。

当時は、原子や分子の存在がまだ不確かなものであったことから、この発表はそれらの存在を科学的に確固たるものへと導きました。

 

アインシュタインモデル

アインシュタインモデルとは熱力学・気体分子運動論の分野で発表された数式で、1906年と1910年にアインシュタインが発表した論文内で導出されました。

このアインシュタインモデルは、固体の格子振動をモデル化したものであり、このモデルによって固体の比熱が温度に対して依存性を持っていることが説明できるようになりました。

 

光量子仮説

光量子仮説とは、光が粒子であることを提唱した仮説で、1905年にアインシュタインによって発表されました。

光のエネルギーをプランク定数と振動数で表現した数式を導き出し、光電効果によって金属の表面から飛び出す電子のエネルギーを正しく説明することが可能になりました。

 

E=mc²の公式

この公式は、世界で最も有名な数式といっても良いでしょう。

この式は、特殊相対性理論の中で導出されたものであり、発表されて以来、シンプルさも相まって多くの人に知られることになりました。

Cは光の速さを表す定数(変化しない数)であるため、この公式は質量がエネルギーと本質的に同じものであることを示しています。

この公式は、後に原始爆弾や核エネルギー理論の土台にもなったと言われています。

 

ボース=アインシュタイン凝縮の予言

ボース=アインシュタイン凝縮(Bose-Einstein Condensation、以下BECと略します)とは、粒子と波動の二重性が確認されている量子について、ボース統計に従う粒子の集団が低温状態において大量の粒子が低エネルギー準位へ落ち込むことにより、粒子系全体が巨大な波動としての振る舞いをする現象のことです。

この現象は1995年に実験によって確かなものへとなりましたが、アインシュタインは1925年に発表した論文でその現象を予言していました。

 

アインシュタインが残した名言

大切なのは、疑問を持ち続けることだ。神聖な好奇心を失ってはならない。

大学に残らずに独自に研究を行ってきたアインシュタインは、非常に好奇心の強い性格であったと考えられます。

大学在学中も授業には真面目に出席せずに、自分の興味ある分野にだけ熱中したと言われていることからも誰よりも好奇心を優先していたことがわかります。

 

天才とは努力する凡才のことである。

アインシュタインは幼少期からずば抜けた数学の才能を発揮していましたが、数学はほとんど独学で学びました。

また、大学卒業後は物理学界では無名の存在であり、発表した理論もすぐには受け入れられなかったと言われています。

これらのエピソードは、アインシュタインは才能だけでなく、長年の努力によって偉大な功績を残すことができたと考えられます。

 

挫折を経験した事がない者は、何も新しい事に挑戦したことが無いということだ。

科学の理論は仮説と実験の繰り返しによって確固たるものへとなっていきます。

アインシュタインの発表した相対性理論などの論文は、完成形を後から読む私たちはその明快さと斬新な発想力に大変驚かされますが、その完成度に至るまでの過程は多くの失敗と試行錯誤があったことでしょう。

同じ年に3つの論文を発表したアインシュタインこそ、新しいことに挑戦する姿勢が人一倍強かったと言えます。

 

空想は知識より重要である。知識には限界がある。想像力は世界を包み込む。

アインシュタインは、ある晴れた日の昼休みに学校の裏庭で寝てしまい、そのときにある夢を見たといいます。

そして、その夢が相対性理論の元のアイディアになったといわれています。

このエピソードからも、知識だけではなく、想像力こそがアインシュタインの源であったことがよくわかります。

 

どんな条件であれ、私には確信がある。神は絶対にサイコロを振らない。

これは、位置と運動量が同時に観測できない量子の不確定性について、マックス・ボルンとの手紙での議論に綴られていた言葉です。

量子の不確定性について否定的な立場をとっていたアインシュタインは、まだ発見されていない変数があるだけで、それを解き明かせば結果を予測できない現象などこの世にないはず、という信念を持っていました。

「神は絶対にサイコロを振らない」とは、そのような決定論的数学の立場をとるアインシュタインの代表的な言葉といえます。

 

もっとアインシュタインを知ることができる本

アインシュタイン―相対性理論により、わたしたちの世界観を一変させ、平和運動にも貢献した天才物理学者

この本は、主に相対性理論についての解説と、それが世界をどのように変化させたのか、またアインシュタインの生涯をどのように変えたのかについて書かれています。

相対性理論がもたらした世界への衝撃と影響力を知るうえで、最適な解説書であると言えます。

アインシュタイン―相対性理論により、わたしたちの世界観を一変させ、平和運動にも貢献した天才物理学者

1,980円 (税込)

出版社 ‏ : ‎ 偕成社 (1994/3/1)

 

アインシュタイン―大人の科学伝記 天才物理学者の見たこと、考えたこと、話したこと

こちらはアインシュタインの生涯を綴った伝記です。

アインシュタインが過ごした20世紀は、世界が大きく変わり始めた時代でした。

そのような激動の時代に、天才であるアインシュタインが何を考え、何を感じたのかについて考えるのに相応しい一冊であると言えます。

アインシュタイン―大人の科学伝記 天才物理学者の見たこと、考えたこと、話したこと

1,100円 (税込)

出版社 ‏ : ‎ SBクリエイティブ (2017/9/16)

 

まとめ

物理学において華々しい功績を残したアインシュタイン。

彼の影響力は物理界にとどまらず、戦後の平和活動や哲学を通して、世界中に広がりました。

ナチスドイツからの亡命といった壮絶な生涯を知ると、あの有名な舌を出したお茶目な写真の見え方も変わってきますよね。

時代を超えた今でも、アインシュタインの著書や名言は、現代の私たちにも多くの学びを与えてくれます。

アインシュタインの発見した物理の理論はもちろん、伝記などを通して、彼自身の生涯について知ることで、さらに新しい知見を得たいですね。

 

 

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