The 2,400-year search for the atom - Theresa Doud

原子をめぐる 2,400年の探究 - テレサ・ ダド

翻訳: Misaki Sato 校正: Tomoyuki Suzuki

What do an ancient Greek philosopher

古代ギリシャの哲学者と

and a 19th century Quaker

19世紀のクエーカー教徒と

have in common with Nobel Prize-winning scientists?

ノーベル賞を受賞した科学者達の 共通点とは何でしょうか？

Although they are separated over 2,400 years of history,

2400年以上の 時の隔たりはあるものの

each of them contributed to answering the eternal question:

その一人一人が永遠の謎の 解明に貢献したことです:

what is stuff made of?

物質は何でできているのでしょうか？

It was around 440 BCE that Democritus first proposed

紀元前440年頃 デモクリトスは初めて

that everything in the world was made up of tiny particles

この世の全てのものは 何もない空間に囲まれた

surrounded by empty space.

小さな粒子でできているとの 仮説を提案しました

And he even speculated that they vary in size and shape

そしてその大きさや形は

depending on the substance they compose.

物質ごとに異なることまで 予想したのです

He called these particles "atomos," Greek for indivisible.

その粒子を「原子」と呼びました 分割できないという意味のギリシャ語です

His ideas were opposed by the more popular philosophers of his day.

この考えは当時名の知られた 哲学者に反対されました

Aristotle, for instance, disagreed completely,

例えば アリストテレスは これに真っ向から反論し

stating instead that matter was made of four elements:

そのかわりに物質は ４つの要素で出来ているとしたのです:

earth, wind, water and fire,

土､風､水､火が 四大元素であるとしました

and most later scientists followed suit.

その後の多くの科学者が これに倣いました

Atoms would remain all but forgotten until 1808,

原子は1808年にジョン・ドルトンという クエーカー教徒の教師が

when a Quaker teacher named John Dalton sought to challenge Aristotelian theory.

アリストテレスの説に臨むまで ほぼ忘れ去られました

Whereas Democritus's atomism had been purely theoretical,

デモクリトスの原子説は 純粋に空想的なものでしたが

Dalton showed that common substances always broke down into the same elements

ドルトンは身の回りの物質は 常に同じ比率からなる いくつかの元素に

in the same proportions.

分けることができることを示しました

He concluded that the various compounds

そして 様々な化合物は

were combinations of atoms of different elements,

異なる種類の原子が 組み合わされたものであり

each of a particular size and mass

固有の大きさと質量を持ち

that could neither be created nor destroyed.

作り出す事も破壊する事も できないものだと結論付けました

Though he received many honors for his work,

研究成果に対して 高い評価が寄せられましたが

as a Quaker, Dalton lived modestly until the end of his days.

ダルトンはクエーカー教徒として 穏やかな一生を終えました

Atomic theory was now accepted by the scientific community,

こうして原子論は科学界に 受け入れられたのですが

but the next major advancement

次の目覚ましい進展までは

would not come until nearly a century later

およそ一世紀 待たなくてはなりませんでした

with the physicist J.J. Thompson's 1897 discovery of the electron.

J.J.トムソンが1897年に 電子を発見したのです

In what we might call the chocolate chip cookie model of the atom,

これは原子のチョコチップクッキーとも 呼ぶべきモデルで

he showed atoms as uniformly packed spheres of positive matter

彼は原子とは一様に広がる 正電荷の中に

filled with negatively charged electrons.

負の電荷を持つ電子が 詰まっているとしたのです

Thompson won a Nobel Prize in 1906 for his electron discovery,

トムソンは電子の発見により 1906年にノーベル賞を受賞しましたが

but his model of the atom didn't stick around long.

彼の原子モデルは 長くは続きませんでした

This was because he happened to have some pretty smart students,

その理由は指導学生の中に とびきり優秀な

including a certain Ernest Rutherford,

E. ラザフォードといった学生が いたためです

who would become known as the father of the nuclear age.

後に原子物理学の父として 知られる人です

While studying the effects of X-rays on gases,

ガス中のX線の効果について研究中に

Rutherford decided to investigate atoms more closely

ラザフォードは金箔に 正電荷を持つアルファ粒子を

by shooting small, positively charged alpha particles at a sheet of gold foil.

ぶつけることでさらに詳しく 原子を調べることにしました

Under Thompson's model,

トムソンのモデルの下では

the atom's thinly dispersed positive charge

原子にうすく拡散した正電荷では

would not be enough to deflect the particles in any one place.

どこを通過しても 粒子の向きを 変えさせるには十分ではないのです

The effect would have been like a bunch of tennis balls

この効果は 複数のテニスボールが

punching through a thin paper screen.

薄い紙の幕を通り抜けていくのに 例えられます

But while most of the particles did pass through,

しかし粒子の大部分が 通り抜けていく一方で

some bounced right back,

跳ね返されるものがあるため

suggesting that the foil was more like a thick net with a very large mesh.

金箔はむしろ目の粗い 網状であることを示唆しています

Rutherford concluded that atoms consisted largely of empty space

ラザフォードは原子はほとんど 何もない空間で構成されていて

with just a few electrons,

そこに少数の電子があり

while most of the mass was concentrated in the center,

質量の大部分は 彼が原子核と名付けた

which he termed the nucleus.

中央部分に集中していると結論付けたのです

The alpha particles passed through the gaps

アルファ粒子は隙間を 通り抜けていきますが

but bounced back from the dense, positively charged nucleus.

正電荷を帯びた核には 跳ね返されるのです

But the atomic theory wasn't complete just yet.

しかし 原子論はここで完成を 見たわけではありません

In 1913, another of Thompson's students by the name of Niels Bohr

トムソンの別の指導学生だった N.ボーアが1913年に

expanded on Rutherford's nuclear model.

ラザフォードの原子核モデルを 推し進めたのです

Drawing on earlier work by Max Planck and Albert Einstein

M. プランクとA.アインシュタインによる 先の研究を基に

he stipulated that electrons orbit the nucleus

一定のエネルギーと距離で

at fixed energies and distances,

電子は原子核の周りを回っていると ボーアは明記して

able to jump from one level to another, but not to exist in the space between.

あるレベルから他のレベルへ移ることはできるが その間の空間には存在しないとしたのです

Bohr's planetary model took center stage,

天体図の様なボーアのモデルが 脚光を浴びましたが

but soon, it too encountered some complications.

すぐに 話はもっと複雑になってきます

Experiments had shown that rather than simply being discrete particles,

実験結果によると 電子は単なる粒子とは異なり

electrons simultaneously behaved like waves,

同時に波のようにも 振る舞うことがわかりました

not being confined to a particular point in space.

すると空間の一点に 限定することはできないのです

And in formulating his famous uncertainty principle,

そして 名高い不確定性原理を 定式化する中で

Werner Heisenberg showed it was impossible to determine

W. ハイゼンベルクは 電子は原子の周りを動くため

both the exact position and speed of electrons

同時にその正確な位置と正確な速度を

as they moved around an atom.

確定することは不可能だと示しました

The idea that electrons cannot be pinpointed

電子の位置を確定することはできないが

but exist within a range of possible locations

一定の範囲において 確率的に存在するというアイデアが

gave rise to the current quantum model of the atom,

現在の原子の量子モデルに 至りました

a fascinating theory with a whole new set of complexities

複雑で新たな 実に魅力的な理論です

whose implications have yet to be fully grasped.

その結果の全貌が明らかに されるのはこれからです

Even though our understanding of atoms keeps changing,

原子に対する私達の理解は 変わり続けていきますが

the basic fact of atoms remains,

原子の基本的な事実が 変わることはありません

so let's celebrate the triumph of atomic theory

ここで 原子論の勝利を花火で

with some fireworks.

お祝いする事にしましょう

As electrons circling an atom shift between energy levels,

原子の周りを回る電子が エネルギーレベル間でシフトするため

they absorb or release energy in the form of specific wavelengths of light,

特定の光の波長でエネルギーを 吸収したり 放出します

resulting in all the marvelous colors we see.

そのおかげで 美しい色彩を 目にすることができます

And we can imagine Democritus watching from somewhere,

デモクリトスはどこからか この花火を見ていて

satisfied that over two millennia later,

２千年以上かけて判明した結果に 満足しているに違いありません

he turned out to have been right all along.

自分の説が正しいことが 分かったのですから