坂田昌一

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坂田 昌一
Sakata Shoichi.JPG
1949年
生誕 1911年1月18日
日本の旗 日本 東京都
死没 (1970-10-16) 1970年10月16日(59歳没)
国籍 日本の旗 日本
研究分野 素粒子物理学
研究機関 理化学研究所
大阪大学京都大学名古屋大学
出身校 京都帝国大学
主な業績 二中間子理論
混合場理論
ハドロンの複合模型
ニュートリノ振動PMNS行列
主な受賞歴 朝日賞
プロジェクト:人物伝

坂田 昌一(さかた しょういち、1911年1月18日 - 1970年10月16日)は日本物理学者。元名古屋大学教授湯川秀樹朝永振一郎とともに日本の素粒子物理学をリードした。

特に、1950年代半ばから1960年代半ばまで、坂田の率いるグループは素粒子の構造に関しては、世界の最先端を走り続け、素粒子論の基本構造を解明し、追随をゆるさなかった。[1][2]

来歴・人物[編集]

東京市麹町区東京都千代田区)で生まれる。旧制甲南高等学校を経て、1933年京都帝国大学理学部物理学科を卒業する。理化学研究所大阪帝国大学講師、京都帝国大学講師を経て1942年名古屋帝国大学教授となる。

坂田モデルや名古屋モデルなど素粒子の複合モデルを主導・推進し、その基礎を築いた。

坂田への批判と方法の確立[編集]

坂田は2中間子論を批判され、武谷と共に方法論を建設し、場ではなく物質の階層性に探求の矛先を向けた。坂田は一貫してこの方向に進み、素粒子の複合模型の研究の基礎を定め、多くの研究者と共に多くの成果を挙げた。場の理論に解明の矛先を向けた朝永とはまったく逆の方法と成果を分かち合っている。

成果の概要[編集]

坂田模型まで[編集]

2中間子論

1942年、井上健と共に核力の起源となる中間子と当時宇宙線中に発見された中間子との違いを説明するために、二中間子論を提唱した。これは1948年にπ中間子が発見されたことにより証明された。しかし、湯川や朝永は場そのものを追及していたため、坂田の2中間子論を小手先と批判している。

混合場

1948年、井上健、高木修二および原治と共に、電子の作る電場量子化する際に電子の質量が無限大に発散するという量子電磁力学の問題を解決するため、凝集力場 (cohesive field) という新しい場によって質量の無限大を打ち消すという混合場理論(C中間子理論)を発表した。しかし、その後、質量の発散は打ち消すが真空偏極の発散は打ち消さないで残ることが示された[3]

坂田らの用いた混合場は、異なる粒子の作用が相互に重なって無限発散が打消されると言う理論である。坂田のこの方法は、場そのものの反作用で発散が打ち消されるという朝永の繰り込みの手法とは、基本的方法や原理が異なっている。この無限発散の困難は、朝永振一郎が場の反作用に基づく繰り込み理論を完成させたことによって解決をみた。

坂田模型[編集]

1955年、中性子陽子ラムダ粒子が最も基本的な粒子とし、他のハドロンはこの3つの素粒子とそれらの反粒子で組み立てられるというハドロンの複合模型(坂田模型)を発表した。これは、基本粒子場の力を媒介する粒子対称性に基づく力の粒子をも統合する名古屋模型(1960年)および新名古屋模型(1962年)へと改良が加えられ、素粒子の統一の基本モデルの骨格を与える試論となり、またそのSU(3)のモデルはその後のゲルマンらを含む研究の足場となった。

その後、幾多の試みの後、電荷を1/3に変更し重粒子の構成を反粒子でなく3粒子の結合に変えたマレー・ゲルマンらのクォークモデル(坂田・大貫と数学的には同じSU(3)群モデル)により修正され実験をほぼ再現し、理論として完結した[4]。その後、坂田の弟子の小林誠、益川敏英により世代が追加され素粒子の標準モデルとなった。二人はこの成果でノーベル賞を受賞した。

坂田モデルの拡張の過程で、1962年には、牧二郎中川昌美と共にニュートリノ振動を予測するポンテコルボ・牧・中川・坂田行列 (PMNS行列) を発表した。これは後に、超新星爆発で実証(1987年)され、カミオカンデの装置を生み出し実験を推進した小柴昌俊はノーベル賞を獲得した。

坂田学派・共同研究者[編集]

坂田は、若いころ自由な研究で知られる理化学研究所仁科芳雄の創設した研究室に朝永振一郎に数年遅れて研究者として招かれている。

   仁科は自由な雰囲気で知られるボーアの流れを汲み、日本の原子核物理の創始者とされている。仁科は、理化学研究所に仁科研究室を立ち上げ活発な研究を主宰している。

坂田は名古屋大学の坂田研究室で弟子らと討論を重ね共同研究を行った。この共同研究を通じて、多数の弟子(共同研究者)を育てたことでも知られる。坂田の研究室では坂田と学生を含む討論が絶えなかったと言う。この流れを汲む研究者としては小川修三、山田英二、牧二郎、大槻昭一郎、大貫義郎梅沢博臣高橋康崎田文二ノーベル物理学賞(2008年度)を受賞した小林誠、益川敏英らが有名である。

なお、坂田の最初の成果は2中間子論で、湯川の中間子論の第2から第4論文の共著者である。しかし、この坂田の2中間子の理論は、実質谷川の2中間子論を修正したものである。原案を谷川安孝が創り、坂田はスピンを修正しただけである。中村誠太郎はこの坂田の凄まじさを書き残している。

坂田学派と坂田モデル[編集]

2中間子論[編集]

混合場理論と研究室制度の導入[編集]

くりこみ理論をめぐって[編集]

50年代に入ると加速器による新しい粒子も続々見つかり始めた.

  • 湯川 - くり込みの手続きを正当化する根拠が理論のなかにない。
  • 朝永 - 量子電磁力学にくり込まれるにしてもその項が無限大であることに矛盾を表明していた。
  • 坂田 - 物質的根拠を欠いたくり込み理論に不信を表明し,

相互作用がくり込み可能か否かの判定基準を,梅沢,亀渕らと研究している。しかし、場の理論そのものについての坂田の寄与は小さく坂田の本領は、次に示す素粒子の構造の解明に大きな寄与をなした点にあるといえる[誰?]

坂田モデル[編集]

坂田モデルにいたる伏線となる時代

1940年 谷川と共同で中性p中間子が核子,反核子を媒介してγ崩壊しうることを,初めて提唱した.これが坂田モデルなどの研究に後につながっていく事になる。Fermi・Yang(1949年)によるp中間子が核子と反核子とから構成されているとする理論が提出された。これは2粒子の複合モデルであった。
坂田は「相互作用の構造」と題して,新しい研究方針の模索を開始する。 特に粒子の間に見いだされる次の二つの現象論的規則性に注目している。 
このふたつを坂田は導きの糸にしたといわれている。

第一期 坂田モデルの提唱の時期

1955年田中正の議論に触発され、坂田はストレンジネスを担う実体をストレンジ粒子のひとつΛ粒子とした。そして坂田模型を提唱した。
坂田模型の提唱 
陽子(P)・中性子(N)・L粒子(L)およびそれら各反粒子をハドロンの基本粒子とするモデルである。他のハドロンはこれら基本粒子の複合系として導かれる。その後、次のふたつの研究が現れたが反響ははかばかしくなかった。
  • 松本賢一は、坂田模型に基づき,松本の公式を発表した。これにより、粒子の質量を構成粒子と各粒子間のポテンシァル・エネルギーとの和で,励起状態を含めてハドロンの質量を表す事に成功した。
  • 大根田定雄は、坂田模型によればストレンジ粒子のレプトンへの崩壊にある種の規則性が出ることを示した。しかし、当時、坂田モデルは、中野・西島・ゲルマン理論の単なる言いかえと見られ評価は高くなかった。

第二期 SU(3)対称性の発見

YOO対称性  小川修三・山口嘉夫
小川修三と。山口嘉夫は独立に、基本粒子は互に同等で、粒子間の入れ替えに対し理論は不変となる事を発見している。これは研究の飛躍の新たな段階を画した研究で坂田モデルは新たな段階に入ったといえる。小川は、この基本粒子の入れ替えに対する不変性を粒子の同質性と述べている。[5]
この当時、ようやく荷電不変から基本粒子,p,K中間子の電荷の自由度の未発見の新しく中性れる)を加えて8個の粒子が一つの組(オクテット)を作って存在することが明らかになりつつあった。
新しい粒子の枠組SU(3)  
1959年 大貫義郎は、小川らの見出した同質性が3次元のユニタリー群によって記述できる事を見い出している。大貫が創り出したこのSU(3)は、一般的観点からの新しい粒子の枠組みとなり新しい出発点となったのである(小川)。そして大貫は池田峰夫との協力で理論を完成させている。さらにいくつかの進展が見られた。特に、沢田昭二・米沢穣は松本公式をこの対称性理論に適合するよう修正し、実験事実とうまく合うことが示された。これにより、坂田モデルは一気に注目を集めることになった。
しかし、坂田は対称性理論そのものへ関心を示さないまま、同質性Marshak(BL対称性)のふたつの特性を、より深い粒子の現象と考えた。そして、次の名古屋モデルの建設に向かった。
この研究スタイルは坂田・武谷の哲学である物質の階層性の哲学に基づいている。そして坂田はこの研究スタイルを終生貫いていくことになる。IOO対称性を見出した小川は、坂田の研究スタイルについて次のように述べている。(小川修三、:『坂田学派と素粒子模型の進展』,)
『現象論的規則の背後に物質的根拠となる素粒子と言う存在を見い出し、それをモデル化してそこに理論を追加して実体化する。そしてこのようにして見出された素粒子が生み出す、自然界における素粒子の階層的な構造を常に強調し、より深い階層を探ろうと絶えず挑戦していくことを坂田は試みていた』[6]これが彼の持論であり終生この研究スタイルを坂田は取り続けたと言える。

第三期 名古屋モデル ハドロン・レプトンの統一模型

Marshak一派   坂田模型の基本粒子とレプトン粒子との間に対応関係(BL対称性と呼ぶ)があることを示す。
名古屋モデル(ハドロン・レプトンの統一模型)   坂田,牧二郎,中川昌美,大貫ら
名古屋モデルとは、BL対称性とSU(3)対称性物質の階層の構造として構築するモデルであった。  
坂田模型の基本粒子P, N, Lは,強い相互作用の源となる一種の電荷(B物質)と、ニュートリノ(n),電子(e),m中間子(m)が超量子力学的に結合して出来る粒子である。
B物質は今で云えばグルーオン場の先駆といえるかもしれない。しかし、B物質と言った所に場の理論に対する当時の不信感が読み取れる。(小川修三、:『坂田学派と素粒子模型の進展』,))
この当時、藤井保憲は中性ベクトル場を用い、場の理論の観点から基本粒子(坂田模型)間の強い相互作用を媒介するを創っていた。さらに、この場をゲージ場と見なしていた。
しかし、力の有限到達距離をだすためには媒介粒子の固有質量に帰着させざるを得ず、対称性の自発的破れが知られていない当時は無理であった。そして、その頃の雰囲気もあって埋もれてしまったのであった。小川修三、:『坂田学派と素粒子模型の進展』,))

第四期 新名古屋模型と重粒子オクテット

次の進展  m中間子に伴うニュートリノ(nm)と電子のそれ(ne)とが同一か否かという答えが,BNLで否と出た 
新名古屋模型 1962年 片山泰久,松本,田中,山田英二  および 牧,中川,坂田の2グループは独立に ハドロンの基本粒子を一つ(第4番目P'と記す)増やすモデルを提唱した。   
ニュートリノ振動    弱い相互作用の分析から,neとnmの間に相互転化の振動現象が起り得る。 牧,中川,坂田
ハドロン粒子のうち重粒子群も,坂田模型の三つの基本粒子を含め新しく見つかった粒子とともにオクテットを作ることがだんだん明らかになる。
この事実から、坂田は重粒子のオクテットを取り上げ,さきの階層論の立場から陽子,中性子をもその複合系とすした。
そして,より基本的要素(Ur-P,Ur-N,Ur-L)の探求を次の研究課題とした。
1964年牧、原康夫(独立)   上記の基本要素から先ず従来通りオクテットを作り,それに新しく導入した基本重粒子要素を結合する[7]
クォーク  1964年  Gell-MannとZweig(独立)  基本要素として,坂田模型の各要素の電荷を1/3に変えクォークudsとする。   
中間子は従来どおり要素と反要素の2体結合系とする。重粒子は反要素を含まず要素だけの3体結合系とする。
オクテットの他に10個の粒子の組(デカプレット)をもつくり,その存在が実験的に確認され、支持を集める。
なお、クウォークは数学的にはSU(3)において基本3粒子を、先の8要素で置き換えただけとされている。[8]
オスカー・W・グリーンバーグ、Han、南部陽一郎、宮本米二、堀尚一はおのおの独立に フェルミ粒子のクォークでは,SU(3)対称性に従う三つのカラーを共有する可能性を示した。(クウォーク閉じ込めの可能性を示した。)

第五期 1粒子交換とクォーク組替振幅

第六期 標準模型の成立   標準模型の完成

1971年,丹生潔  宇宙線写真乾板上に新しい粒子の崩壊を示唆する軌跡が見出される。
林武美,川合栄一郎,松田正久,重枝新成,小川らは、上記の結果から、新名古屋模型の未発見の第4番目P'に対応するc-クォークの兆候とした。
この結論はクォークレベルであるが、重粒子とレプトンとの対称性=新名古屋模型が予想した対称性が実験的に完全になり、理論は完結することを示したものである。この結果は注目を集め特に小林益川理論に結実する。(小川修三、:『坂田学派と素粒子模型の進展』,)
1973年 小林,益川 もう1世代のクォーク・レプトン(tb; ntt)が存在する。
小林増川理論は、Weinbergらの電磁・弱相互作用のゲージ場による統一理論と弱い相互作用に見られるCP変換に対する理論の毀れをともに保証する粒子を示したものである。これにより素粒子複合のクウォークモデルは完成し今に至る標準理論となった。

参考文献   小川修三:『坂田学派と素粒子模型の進展』,日本物理学会誌 Vol51,(1996),No.2,90-94

  1. 小川修三,広川俊吉:『日本の物理学者』辻哲夫編(東海大学出版会,1995)p.171-210-坂田昌一における「物理学と方法」1.これにはくり込み理論までの経過がやや詳しく記録されている.
  2. 湯川秀樹:『存在の理法』(岩波書店,1943)p. 43-109-場の理論の基礎について.湯川晩年の「素領域の理論」に通じる考えである.
  3. 朝永振一郎:自然300号(1971) 241-10年のひとりごと.
  4. 坂田昌一:中間子討論会予稿1943年9月-素粒子論における模型の問題.名古屋大学理学部物理学教室坂田記念資料室蔵.
  5. 坂田昌一:『科学者と社会,論集2』(岩波書店,1972)p.5-研究室会議の提唱.
  6. 坂田昌一:『物理学と方法,論集1』(岩波書店,1972)p.201-208-素粒子論の方法.
  7. H. Yukawa:Science 121 (1955) 405-408-Attempts at a unified theory of elementary particles.
  8. 素粒子論研究12 (1956) 303-311参照.
  9. S. Sakata: Prog. Theor. Phys. 16 (1956) 686-688-On a composite model for the new particles, および文献1参照.
  10. 素粒子論研究12 (1956) 296-303.
  11. 大貫義郎:素粒子論研究82 (1991) 503-547-対称性理論事始.これに当時の詳しい紹介がある.
  12. 山口嘉夫:名古屋大学理学部物理学教室坂田記念資料室蔵.
  13. 素粒子論研究30 (1964) 406参照.
  14. 複合模型以後の文献については下記を参照されたい.S. Ogawa: Prog. Theor. Phys. Suppl. No. 85 (1985) 52-60-The Sakata model and its succeeding development toward the age of new flavours.

ノーベル賞ならず[9][編集]

「坂田模型」はマレー・ゲルマンとジョージ・ツワイクのクォークモデルに影響を与えたが、1969年のノーベル物理学賞はマレー・ゲルマンにのみ授与された。その後、ノーベル物理学賞委員会のメンバーであるイヴァー・ウォーラー(Ivar Waller)は、坂田が受賞できなかったことに遺憾の意を表明した。

1970年9月、湯川秀樹はウォーラーに、坂田がノーベル賞に推薦された時点で病に伏していたことを手紙で懇切丁寧に伝えた。その後、坂田の容体は著しく悪化し、3週間後に死亡した。湯川は、坂田に授賞がなされていれば多くの栄誉と励ましがもたらされていただろうとウォーラーに伝えた。湯川はその後、ノーベル賞委員会に慰めを与えるため、日本の主な素粒子物理学者の名において、委員会が坂田の優れた点をどのように考えていたかを知りたいと尋ねている。

主張[編集]

クォークは階層の一つに過ぎず、さらにその下部構造が無限に存在するという物質の「無限階層論」を提唱していた。

国際関係[編集]

1964年には毛沢東と対面したとき、その無限に続く構造としての素粒子に「層子という名前がよい」と毛が提案したと言われる。毛は自国の物理学者に、昌一の理論に基づいて層子論を研究するように指示したと言われる。[10]

親族[編集]

受賞歴[編集]

著書[編集]

  • 『物理学と方法 素粒子論の背景』白東書館 1947 のち岩波書店  
  • 『新しい時代の科学』郵政弘済会 1954 教養の書 郵政省人事部能率課編
  • 『原子物理学入学』宝文館 NHK教養大学 1956  
  • 『科学と平和の創造 一原子科学者の記録』岩波書店 1963
  • 『科学に新しい風を』1966 新日本新書  
  • 『科学者と社会』岩波書店 1972
  • 『原子物理学入門 科学と現代』勁草書房 1972
  • 『物理学と方法』岩波書店 1972
  • 『新しい自然観』大月書店・国民文庫 1974
  • 『原子力をめぐる科学者の社会的責任』樫本喜一編 岩波書店 2011
  • 『坂田昌一コペンハーゲン日記 ボーアアンデルセンの国で』ナノオプトニクス・エナジー出版局 2011

共編著[編集]

  • 『真理の場に立ちて』湯川秀樹武谷三男共著 毎日新聞社 1951
  • 『近代物理学概論』有山兼孝共編 朝倉書店 1954
  • 『素粒子の本質』武谷三男,中村誠太郎共編 岩波書店 1963 現代科学選書
  • 『平和時代を創造するために 科学者は訴える』湯川秀樹,朝永振一郎共編著 1963 岩波新書
  • 『素粒子の探求 真理の場に立ちて』湯川秀樹,武谷三男共著 勁草書房 1965 科学論・技術論双書
  • 『核時代を超える 平和の創造をめざして』湯川秀樹,朝永振一郎共編著 1968 岩波新書
  • 『平和の訴え』末川博,山田無文共編 雄渾社 1968
  • 『現代学問論』湯川秀樹,武谷三男共著 毎日新聞社編 勁草書房 1970

翻訳[編集]

  • バーナル『科学の社会的機能』第1-2部 共訳 創元社 1951 のち勁草書房 

伝記[編集]

  • 西谷正『坂田昌一の生涯 科学と平和の創造』鳥影社 2011

脚注[編集]

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  1. ^ 小川修三:『坂田学派と素粒子模型の進展』,日本物理学会誌 Vol51,(1996),No.2,90-94 
  2. ^  その後、ゲルマンらが坂田一派が見出したSU(3)群を修正し現在の基本モデルとなった。
  3. ^ くりこみ理論のころ
  4. ^ 坂田学派と素粒子模型の進展
  5. ^ 同質性とは同じカテゴリー、同じレベルにある類似の粒子という意味で、SU(3)の基本粒子は同質性をもつ事になる
  6. ^ 論文中であまりに短くわかりにくいので文章を補った。
  7. ^ これに先立ち1959年暮れ,山口嘉夫  名古屋模型にヒントを得て3個のレプトンm, e, nでまずオクテットを作り,それに重粒子要素を結合する模型を作る。)重粒子オクテット説の多分最初であるが,残念ながら公表されていない(小川修三、:『坂田学派と素粒子模型の進展』
  8. ^ 8個の粒子が一つの組(オクテット)を作るとされたもの。
  9. ^ Robert Marc Friedman, The Politics of Excellence: Behind the Nobel Prize in Science. New York: Henry Holt & Company (October 2001)
  10. ^ 『毛澤東思想万歳」(下)』P.219-226 (三一書房 1975年3月発行)
  11. ^ 朝日賞:過去の受賞者”. 朝日新聞. 2009年11月3日閲覧。
  12. ^ 中日文化賞:第1回-第10回受賞者”. 中日新聞. 2009年10月31日閲覧。