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SCIENTIFIC AMERICAN March 2011

Demons, Entropy, and the Quest for Absolute Zero

悪魔が挑む絶対零度

By Mark G. Raizen M. G. ライゼン
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As you read these words, the air’s molecules are zipping around you at 2,000 miles per hour, faster than a speeding bullet, and bombarding you from all sides. Meanwhile the atoms and molecules that make up your body incessantly tumble, vibrate or collide with one another. Nothing in nature is ever perfectly still, and the faster things go, the more energy they carry; the collective energy of atoms and molecules is what we call, and feel as, heat. 今,あなたがこの文章を読んでいる瞬間にも,あなたを取り巻く空気の分子は弾丸よりも速い時速3000kmの高速で飛び回っており,あらゆる方向からあなたの体にぶつかっている。一方,あなたの体を構成する原子や分子も絶え間なく動き回り,振動し,互いに衝突している。自然界には,完全に静止したものは存在しない。物体は速く動くほど高いエネルギーを持つ。原子や分子が持つエネルギーの総和が,私たちが「熱」と呼び,感じているものだ。
Even though total stillness, corresponding to the temperature of absolute zero, is physically impossible, scientists have edged ever closer to that ultimate limit. In such extreme realms, weird quantum effects begin to manifest themselves and to produce new and unusual states of matter. In particular, cooling gaseous clouds of atoms—as opposed to matter in the liquid or solid state—to a small fraction of a degree above absolute zero has enabled researchers to observe matter particles behaving as waves, to create the most precise measuring instruments in history, and to build the most accurate atomic clocks. 絶対零度は完全な静止状態に相当し,物理的に実現不可能だ。だが科学者たちはその極限にじりじりと迫りつつある。そうした極低温の世界では,奇妙な量子効果が姿を現し,常識を覆す新たな状態が実現する。特に気体になった原子の雲を絶対零度の間際まで冷やすと,液体や固体の物質とは違い,物質粒子が波のようにふるまうのが見られる。この現象を利用して,かつてないほど精密な測定機器や,極めて正確な原子時計を作ることも可能になった。
The drawback of these atom-cooling techniques is that they are applicable to only a few of the elements in the periodic table, limiting their usefulness. For example, hydrogen, the simplest of all atoms, was for a long time extremely challenging to cool. Now, however, my research group has demonstrated a new cooling method that works on most elements and on many types of molecules as well. この原子冷却技術の欠点は,周期表に並んでいる原子のごく一部しか冷やすことができず,利用範囲に限界があることだ。例えば,水素。あらゆる原子の中で最も単純だが,長いこと冷却するのは極めて難しかった。だが今では,私たちの研究グループが開発した新たな冷却方法なら,原子の大半と様々なタイプの分子を冷却できることが実証されている。
My inspiration: James Clerk Maxwell’s Victorian-era thought experiment. This great Scottish physicist theorized the possibility of a “demon” that seemed able to violate the rules of thermodynamics.
 The newfound capability will open directions in basic research and lead to a wide range of practical uses. For example, variants on the technique may lead to processes for purifying rare isotopes that have important uses in medicine and in basic research. Another spin-off might be an increase in the precision of nanoscale fabrication methods that are used to make computer chips. On the science side, cooling atoms and molecules may enable researchers to explore the no-man’s-zone between quantum physics and ordinary chemistry or to uncover possible differences in behavior between matter and antimatter. And supercooling hydrogen and its isotopes could help small laboratories to answer questions in fundamental physics of the type that have traditionally required huge experiments such as those at particle accelerators.
 ヒントになったのは1800年代にマクスウェル(James Clerk Maxwell)が提唱した思考実験だ。マクスウェルはスコットランドの傑出した物理学者で,熱力学法則を破るかのように見える,仮想の「悪魔」の実現可能性を理論的に示した。今回新たな冷却手法が発見されたことで,基礎研究に新たな方向が開け,応用の幅も広がるだろう。例えばこの冷却技術を少し変えれば,医薬品開発や基礎研究で重要な希少同位体の精製に使えるかもしれない。技術の開発過程で,コンピューターチップの製造に用いられるナノスケール加工技術の精度向上という副産物が生まれる可能性もある。
 基礎科学の方面では,原子や分子を冷却することで,誰も見たことのない量子物理学と一般化学との狭間を探究したり,物質と反物質のふるまいの違いを解明することができるかもしれない。小規模な研究所でも水素やその同位体を極低温まで冷却でき,これまで加速器などの巨大装置が不可欠と考えられてきた物理学の基本問題を探究し,答えを出すことも可能になるだろう。