ピーテル・ゼーマン：磁石で光を分ける

1862年3月12日、マイケル・ファラデー（Michael Faraday）は、現役生活の終わりに近づいた頃、磁石の極の間に光源を置き、分光器を通して変化がないか調べた。彼の手記にはその結果がこう記録されている。「偏光であれ非偏光であれ、証明可能な影響は全くない」。その8年後、ジェームズ・クラーク・マクスウェル（James Clerk Maxwell）は、自然界のいかなる力も、光を放出する粒子の質量や振動周期をわずかでも変えることはできないと記した。この分野の2人の最大の権威が、この問題を締めくくった。1896年8月、31歳のオランダの講師が再びその扉を開いた。

ゾンネマイレからライデンへ

ピーテル・ゼーマンは1865年5月25日、オランダのゼーラント州ゾンネマイレで生まれた。彼はライデン大学で、当時オランダで最も傑出した理論物理学者であったヘンドリック・アントーン・ローレンツ（Hendrik Antoon Lorentz）に学び、1890年からそこで教鞭をとり始めた。6年後、彼は自分の名を不朽のものとする実験を行った。

カー効果とあるアイデア

その考えはどこからともなく湧いてきたわけではない。ゼーマンは1902年のノーベル賞授賞式で、「このアイデアは、磁気鏡で反射した光に対してカー（Kerr）が発見した効果を調べている時に浮かびました」と語った。もし磁気が磁化された表面で跳ね返った光を変えられるなら、なぜ光の放出の瞬間にそれを変えられないのか。ファラデーは、磁場が媒質を通過する光の偏光面を回転させることをすでに突き止めていた。ファラデーはより根本的な効果を探したが何も見つからず、ゼーマンが指摘したように、ファラデーの否定的な結果はおそらく数十年にわたって他の誰も試みようとする気を削いでいたのである。

1896年8月

ライデンで、ゼーマンは強力な電磁石の極の間にナトリウム炎を置き、当時存在した中で最も優れた分光器であるローランド回折格子（Rowland diffraction grating）でその光を調べた。ナトリウムは2本の鋭い黄色い線を生み出し、これはあらゆるスペクトルの中で最も馴染み深い特徴の一つである。磁石を作動させると、各線は広がった。

広がりは疑わしい結果である。それは熱、圧力、汚染、その他十数種類のありふれた原因によって生じるものだからである。ゼーマンが確立したのは、その炎が単なる元の周波数だけでなく、より大きな周期とより小さな周期の両方の付加的な振動を放出しているということであり、その線はぼやけているのではなく分割されていた。その大きさは非常に小さく、2本のナトリウム線の間の隙間の約30分の1であった。それを検出すること自体が、計測技術の偉業であった。

ローレンツの3本の線

ローレンツが説明を提供したが、それこそが結果を歴史的なものにした。彼の理論によれば、原子には電荷を帯びた小さな粒子である電子が含まれており、その振動が光を生み出す。そのような振動電荷を磁場に入れると、その運動は3つの成分に分解される。磁場に沿った直線の振動は影響を受けず、反対向きの2つの円運動の振動は、周期がそれぞれ上と下にずれる。これは非常に具体的なことを予言している。磁場に対して直角に見ると、真ん中の線が磁場と平行に偏光し、外側の2本が磁場と垂直に偏光した3本の線が見えるはずである。磁場に沿って見ると、2本しか見えず、それらは反対方向に円偏光しているはずである。

ゼーマンは観察を行い、そのすべての予言が的中した。「教授の理論から導かれる結果が、観測によってこれほど見事に裏付けられたことがお分かりいただけるでしょう」と彼はストックホルムで語った。

途方もない数字

最も深い結果は分割の大きさから導き出された。なぜなら、そのずれは振動する粒子の電荷と質量の比に依存するからである。ゼーマンはその数値を計算し、1グラムあたり約10⁷ c.g.s.単位という、「途方もない数字」を得た。これは電解から導き出される対応する数値の約1000倍である。光を作るために原子の内部で振動しているものは、原子自体の質量の約1000分の1であった。彼はこれが自分の運命にとって何を意味するかについて率直だった。もしその比率が予想外に大きくなかったら、「今日、ストックホルムで皆様にお話しする名誉は得られなかったでしょう」。

彼はさらに踏み込んだ。ダブレットの方向と偏光の向きから、彼は符号を決定した。振動する電子は負に帯電している。そしてその特性は陰極線について測定されていたものと一致した。これは、光の源で振動しているものは陰極線管の中を移動するものと同じものであるということを示唆していた。これは1896年と1897年のことであり、まさに電子が理論上の便宜的な存在ではなく、実在の物体になりつつあった瞬間であった。

アムステルダムとその後

ゼーマンは1900年にアムステルダム大学の物理学教授となり、1908年からは物理研究所の所長を務めた。1902年、彼はローレンツと共にノーベル物理学賞を共同受賞し、ゼーマンの授賞理由には彼が名を冠した効果の発見が挙げられた。その後の研究は、水、石英、フリントガラスといった動く媒質を通る光の伝播に向けられ、彼にしかできない繊細な光学作業であった。彼は1943年10月9日、アムステルダムで78歳で死去した。

なぜピーテルは天才と呼ばれるのか

その質は特異であり、過小評価されている。この分野の最大の名前が締めくくったと宣言した問題を再開しようとする意欲と、誰よりも1000倍小さなものを見ようとする実験的技能の組み合わせである。ファラデーは試みて失敗した。マクスウェルは原則として不可能だと断言した。ゼーマンは突き進んだ。そして決定的な要因は大胆さだけではなく技術であった。ローランド回折格子が当時の分光器にはできない分解ができることを知り、普通の広がりに見えるものの中に本物の分割を認識し、そして見出しに満足するのではなくローレンツの偏光予測を方法論的に検証した。スペクトルのずれの大きさから電荷と質量の比率を、円偏光の右巻き・左巻きから符号を抽出することは、高度な推論である。

反論は現実的であり、ゼーマンは真っ先にそれをしただろう。理論はローレンツのものであり、彼のものではなかった。ノーベル賞は共有され、この発見を重要にしているものの多く（電子モデル、予言されたトリプレット、偏光規則）は彼の教師から来ていた。彼は、正しい瞬間に正しい理論家の隣に配置された実験家であった。また、彼は後に異常ゼーマン効果と呼ばれる複雑な分割パターンを説明できなかった。これは電子のスピンと量子力学を必要とするものであったが、その仕組みは20年後のものであった。そしてケンブリッジで独自に研究していたJ・J・トムソン（J. J. Thomson）が、一般的に電子の発見者として認められている。ゼーマンの天才性はアイデアよりも測定の天才性であり、それはより低い種類の名声であり、より低い種類の科学ではない。

遺産

ゼーマン効果は、物理学において最も生産的な診断ツールの一つとなった。線の分離は磁場の強さに比例するため、スペクトルは磁力計となる。天文学者はこれを使って、星や黒点の磁場を測定する。それらは直接測定できない距離にある。研究室では、原子のエネルギー準位を検証し、スピンや核の特性を明らかにする。また、電子常磁性共鳴や核磁気共鳴分光法の基礎となっており、長い系譜を経てMRIスキャナーの先祖となっている。ファラデーは自身の試みを「光の磁化」や「力線の照明」と大げさに命名したが、それが可能かどうかという点以外は、すべてにおいて正しかったのである。