ヒュー・デヴィッド・ポリツァー：強い相互作用を書き換えた大学院生

1973年、ハーバード大学の大学院生であったポリツァーは、教職に就く何年も前に、陽子や中性子を構成する粒子であるクォークが、物理学者の予想とは逆に、近づくほど相互作用が弱まるという性質を持つことを発見しました。これはあまりに奇妙な結果であったため、ポリツァーは当初、自分が計算ミスをしたのではないかと恐れました。しかしミスではなく、プリンストン大学のデヴィッド・グロスとフランク・ウィルチェックも同時期に独立して同じ発見をしており、30年後に3人揃ってノーベル賞を受賞することになりました。

ブロンクスの難民家族の息子

ヒュー・デヴィッド・ポリツァーは1949年8月31日、ニューヨーク市で生まれました。彼の家族には避難の歴史があり、両親はナチス占領前の1939年にチェコスロバキアからイギリスへ逃れ、第二次世界大戦後にアメリカへ移住しました。彼は、多くのアメリカ人ノーベル賞受賞者を輩出した名門公立校であるブロンクス科学高校に通い、1966年に卒業しました。その後、ミシガン大学で物理学の学士号を1969年に取得し、ハーバード大学の大学院へ進みました。そこで理論物理学者のシドニー・コールマンの下で研究し、1974年に博士号を取得しました。

クォークの閉じ込めを説明した計算

ポリツァーの決定的な貢献は、博士号を取得する前になされました。1973年、まだ大学院生だった彼は、陽子や中性子の中でクォークを結びつけている強い核力が、クォーク間の距離が縮まるにつれてどうなるかを計算しました。電磁気学や重力のような力から導かれる従来の直感では、距離が近づくほど相互作用は強まると考えられていました。しかしポリツァーは逆の結果を見出しました。クォークが近づくほど強い力は弱まるのです。この性質は「漸近的自由性」と呼ばれるようになりました。同時期にプリンストン大学のデヴィッド・グロスと大学院生のフランク・ウィルチェックも完全に独立して同じ結論に達しました。ポリツァーが発表した論文は、グロスとウィルチェックの論文と共に1973年に『フィジカル・レビュー・レターズ』誌に掲載され、粒子物理学における長年のパラドックスを解決しました。それは、強い力が陽子のような粒子内でクォークを永久に閉じ込める一方で、当時の物理学者が行っていた高エネルギー衝突実験では、まるで存在しないかのように振る舞う理由を説明するものでした。なぜなら、それらの衝突で探査される極めて短い距離では、力は弱まるからです。この発見は、強い相互作用を記述する理論である量子色力学の基礎となりました。

ジュニアフェローからカルテックの教授へ

博士号取得後、ポリツァーは1974年から1977年まで、ハーバード・ソサエティ・オブ・フェローズのジュニアフェローを務めました。これは若手研究者が教育義務から解放され研究に専念できる非常に選抜性の高いポストです。その後、カリフォルニア工科大学（カルテック）に移り、1975年に客員准教授として着任、1976年にテニュア（終身在職権）を取得し、1979年には正教授に昇進しました。1986年から1988年までカルテック物理学科の学科長を務め、最終的にはリチャード・チェイス・トルマン理論物理学教授の称号を保持しました。漸近的自由性以外にも、ポリツァーはトーマス・アッペルクイストと共にチャームクォークと反チャームクォークの束縛状態であるチャモニウムに関する理論的予測に取り組み、1970年代のクォーク物理学の発展に貢献しました。

数十年後のノーベル賞

2004年のノーベル物理学賞は、「強い相互作用の理論における漸近的自由性の発見」に対して、ポリツァー、デヴィッド・グロス、フランク・ウィルチェックの3氏に共同授与されました。これは3人が1973年、つまり30年以上前に行った研究を評価したものであり、理論的な成果が数十年にわたる実験的検証に耐え抜いたことを確認するために、ノーベル委員会が時にどれほど長い時間をかけるかを示す例となりました。ポリツァーは同じ研究に対して、1986年のサクライ賞（理論素粒子物理学部門）や2003年の欧州物理学会の高エネルギー粒子物理学賞など、以前から評価を受けており、2011年にはアメリカ芸術科学アカデミーの会員に選出されました。

型破りな物理学者

粒子物理学以外のポリツァーの関心は、理論物理学者としては異例なほど公にされています。彼はバンジョーを演奏し、弦楽器の物理学に関する研究も行っており、専門的な訓練を趣味に応用しています。1980年代には、「プロフェッサー・ポリツァー・アンド・ザ・ロー・メソンズ」という、素粒子にちなんだ皮肉な名前のバンドでリードボーカルを務めました。また、1989年のハリウッド映画『シャドー・メーカーズ』（原題: Fat Man and Little Boy）では、マンハッタン計画の物理学者ロバート・サーバー役として予期せぬスクリーンデビューを果たしました。これにより、学術的な共同研究の距離と映画出演の共同作業の距離を組み合わせた、遊び心のある指標である「エルデシュ・ベーコン数」で5という数字を得ています。

なぜヒューは天才と呼ばれるのか

ポリツァーの天才性は、彼がまだ学生だった頃に行った、直感に反する鋭い計算に基づいています。それは、自然界の他のあらゆる力が物理学者に期待させていた物理的直感に真っ向から対立するものでした。近距離で力が強まるのではなく弱まることを発見するには、当時まだ若かった量子場理論の数学を使いこなす技術力と、一見間違っているように見える答えを信じる精神的な独立性の両方が必要でした。この物語の最も誠実な複雑さは、この発見が彼独自のものではなかったという点です。デヴィッド・グロスとフランク・ウィルチェックも独立してほぼ同時に同じ結論に達しており、ノーベル委員会が賞を3等分したことは、ポリツァーの研究の価値を損なうものではなく、その同時性を反映したものです。このようなほぼ同時期の発見は、物理学の分野がアイデアを受け入れる準備ができている時にはよくあることであり、それは業績を消し去るのではなく、文脈化するものです。ポリツァーの洞察は、個人の天才による孤立した閃きというよりも、量子色力学の背後にある数学が、ある意味で誰かが気づくのを待っていた結論を、最も鋭く早期に言語化したものだったのです。

遺産

漸近的自由性は、粒子物理学の標準模型を支える重要なアイデアの一つであり続けており、陽子や中性子、そして大型ハドロン衝突型加速器のような施設での高エネルギー粒子衝突の残骸の中で、クォークやグルーオンがどのように振る舞うかを記述する現代の計算の基礎となっています。ポリツァーは、自身の名を冠した発見の後も数十年にわたってカルテックでキャリアを続け、理論物理学における業績に加え、バンジョーの音響学からハリウッドのマンハッタン計画ドラマへの助演まで、異例なほど多才な活動の足跡を残しました。