レーザーを使った高圧物性の話(Voxの動画)

レーザーを使った高圧物性の話が分かりやすい動画でYoutubeに上がってたので紹介。

圧力（Pressure）は、単位面積あたりの垂直に加わる力。高圧とは圧力が高い状態やけども、それがどこにあるのか？その説明が順を追って解説されている。圧力を上げるのに地中に潜っていく様子とか、初期状態が気体、液体、固体のものを高圧にするとどうなるかの説明も分かりやすい。これらの状態をどうやって実験室で作るのか？ということでレーザー、なるほど、良い流れ。地球の中心に到着しても、ここが最高圧力の終点ではない。ということで、他の惑星（海王星）、木星を紹介している。木星は地球よりもはるかに大きく（地球の直径の１１倍の直径、体積で地球１４００個分）、惑星内部の圧力もさらに高い(3600万気圧)。この圧力状態では水素が液体金属状であることがわかっている。太陽の中心はさらに高圧（2,400億気圧）で、熱核融合により水素が燃焼してエネルギーを発生している。エネルギーという着地点もお見事。自分やったら、衝撃波の発生の話から、高圧状態で核融合を起こすために「カプセルに燃料を入れて」とか「レーザーで球対称に撃って」とか、あまり重要でないことを説明してしまってグダグダになってるはず。

動画では一つの話として紹介されているけど、レーザーを使って衝撃波の発生を研究する人、それらを使って高圧物性を創り研究する人、レーザー核融合を研究する人は別。核融合に関しては、最近では、慣性核融合で発電を目指す核融合ベンチャー企業がいくつも出てきた。大学、国立研究所に加えて新たな研究体制で、政府からもかなりお金が注ぎ込まれてる。知り合いの研究者が何人もベンチャー企業に移動していったこともあって、研究の進め方を考えさせられるわ。着実に成果を出すことが一番大事やけども、その成果を上げるスピードも。研究提案書を書くときに悩むポイントでもある。

素数の話 (メルセンヌ数)。研究とは

ポッドキャスト「This American Life」で見つけた「So Crazy It Just Might Work（Prologue）」が興味深かったので紹介。英語でも日本語でも数学嫌いな人には全く入ってこない話かも。トークショーホストの人も「a warning. I am going to talk about math」の一言から始めてる。ここに書いてるイマイチな自分の訳よりもポッドキャストの方が臨場感が味わえて良いので英語のわかる方はぜひそちらで。

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素数は、自分以外の数では割り切れない数字のこと。例えば、３、５、７など。４は２で割れるので素数ではない。素数についての歴史は古く、２３００年以上前、古代エジプトの数学者エウクレイデス（Euclid）は、素数が無限に存在することを証明した。小さい数だと簡単に素数かそうでないか分かるが、大きい数の場合、計算が必要になる。そこで１６４４年、素数の魅力に取り憑かれていたマラン・メルセンヌという修道士がある公式を思いついた。その公式は、メルセンヌ数と呼ばれるもので、「2ⁿ-1」で得られる数は素数nを代入した値も素数になると予想されていて、当時、n の値は「 2, 3, 5, 7, 13, 17, 19, 31, 67, 127, 257」の１１個と公表された。この段階で話がややこしすぎる人には、この「2ⁿ-1」や「2⁶⁷-1」という式は数学者の間で有名であったということ。ちなみに2⁶⁷-1は、「147,573,952,589,676,412,927」の21桁の数。

１６４４年、この式をメルセンヌの論文は証明することなく終わっている。それから約２５０年後、１９０４年、数学者フランク・ネルソン・コールがアメリカ数学学会で講演をした。講演のタイトルは「On the Factorization of Large Numbers（大きな数の因数分解について）」。講演が始まると彼は黒板に向かい、何も言わず「2⁶⁷-1」と書いた。それが有名なメルセンヌ素数であることは、もちろん聴衆の誰もが知っている。そして、等式（イコール）と書いて、21桁の数字を書き出した。

続いて、彼は白紙の黒板に移動し、2つの数字を書いた。ひとつは9桁の数字、もうひとつは12桁の数字だ。そして、それらの数字を、小学校で習ったように掛け算をし、黒板に書き始めた。計算している間、彼は何も言わず、聴衆もみんな黙って座っていた。

素数というのは、2つの数を掛け合わせた結果、素数になるというものだ。すなわち素数は割り切れないものなのだ。二つの数を掛け合わせた結果、21桁の数が得られたとしたら、その21桁の数は素数ではない。もしメルセンヌがこれを素数だと考えたとしたら、２５０年前に発表された彼の公式は素数を弾き出すことになっている。

学会会場では、フランク・ネルソン・コールが黒板に向かって、ゆっくりと長い掛け算をしている。大きな数字だから時間がかかる。部屋いっぱいにいる数学者達は、彼をただ見ているのだ。きっと多くの数学者が、彼に計算ミスがないかを吟味しているのだろう。彼はまだ一言も発しない。

そして、計算を終えた後の黒板に示された結果は、初めに黒板に書かれた21桁の数字そのものと一致した。その瞬間、会場全体が拍手に包まれた。数学の学会でスタンディングオベーションが起こったのはこれが初めてだという。そして彼は何も言わずに席に戻った。

その後、誰かが彼に「メルセンヌの2⁶⁷-1が素数ではないと分かるのに、どのぐらいの時間がかかったのか？」を尋ねた。すると彼は「３年の間、毎週日曜日をこの研究に費やした」と答えた。

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(ポッドキャストホストのゲスト、Paul Hoffmanの見解)

この3年間の日曜日は、おそらくあらゆる可能な解決策を試して問題を解決するのに費やされたのだろう–2の67乗マイナス1という巨大な数を、ある数で割り、また次の数で割り、また次の数で割り……。日曜日の3年間は156日。そのうち155日間、フランク・ネルソン・コールは失敗した。そして156回目の日曜日に、フランク・ネルソン・コールはついにそれを均等に割る数を見つけた。

科学とはそういうものだ。現実の人間が壁に頭をぶつけ、何年も失敗を繰り返しているんだ。それがもう一つのことです。私たちは、この遺伝子が何をするのかを見つけようと2年かけてあきらめた研究者や、太陽系外の惑星を見つけようと3年かけてあきらめた研究者について話しません。洞察力と努力の組み合わせなんだ。

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（自分の感想）そう、この地味で時間がかかる作業をある意味耐えながら進めれるかどうかで、研究者に向いてるかどうかが分かる。絡まった釣り糸を１箇所ずつ解いていく様な作業。大学院に入った当初、研究というものが何かもわからず、いわゆる”頭がよい人”しか研究者になって生き残れなく、「一流大学出身者のみが研究者になれて、そうでない自分は大学院の段階で挫折するんやろうな」って思ってたのは大きな間違い。

研究ということだけでなく、日本とアメリカでは「優秀」とされる人のグループが違う。大学受験で考えると、日本の場合、学力のみなところ、アメリカの場合、頭脳明晰な事に加えてリーダーシップやらボランティア経験なども要ったりする。教員側になって思うのは、大学が次世代のリーダーを育てる機関という明確な目的がある（一流になればなるほど）。これは大学生だけでなく、大学院生、ポスドク、研究者、教授陣とそれぞれのキャリアレベルで、人材を育成しているイメージ。リーダーシップだけでなく、優秀な人の層の厚みにも重きが置かれてる。

結局のところ、過去３０年以上も続く日本の衰退を食い止めるにはどうすれば良いのかって問題に行き着く気がする。ちょっと前にNatureに出てた日本の研究レベルの減退についての記事「Japanese research is no longer world class — here’s why」も同じ。答えに行き着くために一つ一つ紐解いていく作業をしてるような気がする。

実験中に有り難いコンビニ飯

実験中は、生活リズムが全体的にズレて、朝食、昼食、夕食とも時間通りに食べれることはない。睡眠も１日に２回寝るような生活が数日続く。集中力を切らさないためにも、食べすぎたり、睡眠不足にならないよう気をつけて、実験が終わると一気に開放された感でいっぱいになる。

今回の実験中、コンビニ飯で一番驚いたのは、ローソンでアジフライが買えること。鶏の唐揚げはあったけども、アジフライか〜。良いとこつくな〜。アジフライはアメリカになく感動。実験の疲れもあってか、アジフライ食べて脱力しかけた。いや〜、コンビニで魚のフライが買えるのはいいね。もう１つ感動したのは、電子レンジで袋のまま温めれる煮物。わざわざ中身をお皿に出してラップすることなく温めれる一品、よく考えられてる。素朴ながら食べ応えがあり、味が薄いのも連日コンビニご飯を食べてる時に有り難い。冬は特に温かい食事として重宝。次の実験の時にコンビニ飯の進化をまた感じれるかな。

サンプル準備時の作業曲・頭文字D

今回の実験で使うサンプルは小さく切られた箔膜で、サンプルホルダーに１つずつ乗せて糊付けする。単純作業ではあるけど細かな作業だけに集中力が必要で、サンプルの数が多く（４００個ぐらい）、正味、丸１日２日かかる。毎回サンプルは音楽を聴きながら準備してて、今回はちょっと前に見た動画から頭文字D（イニシャルD）のプレイリストを作ってみた。

元は、テレビ番組「有吉の壁」の中でやってた頭文字Dのパロディで公式Youtubeに動画が上がってる。これ見た後、音楽だけでなくいろんな面でハマってしまった。パロディ動画の元の曲は「Running in the 90s」でリズム感は一緒。元ネタを知らなかっただけに初め見た時は、曲調が「９０年代やな〜」ぐらいやったのが、アニメのシーズン１を見た後、もう一度とこのパロディを見ると、キャラクターも含め作り込まれた感が面白い。例えば、首から下げてる名札はちゃんとキャラクターの名前の「高橋」になってるし、紫Tシャツの人も出てくるキャラの感じに。アニメ内のユーロビートと車・ドリフトの組み合わせの相性はすごい。AppleMusicにある頭文字Dのプレイリストを聞いてると、当時、日本にかなりの勢いがあったんやなってのがめちゃめちゃ感じられる。プレイリストの１つの曲は「No one sleep in Tokyo」やで。すごいよ、これ。なんか頑張ろうって気になったのと、久しぶりにマニュアル運転したくなった。このプレイリストのおかげか、サンプル準備作業は８時間ぐらいで終了。

公式有吉の壁Youtube　路上教習のダウンヒラー “J”/Driver’s lesson 90s

関連動画で好きなのは、「Running in the 90s」が初めに流れるシーン（１つ目の動画）、「Stay」が流れるシルエイティとのシーン（２つ目の動画）、最後は作風が新しくなった際にユーロビートが外されたけど、無理やりユーロビートを乗せたやつ（３つ目の動画）。

（１）Running in the 90sがいい感じにかかってる切り抜き。曲の流れるタイミングが絶妙

（２）頭文字D 最高の鳥肌シーン。＃頭文字D ＃すぽぽきょう。モブキャラの1人がいうあるセリフ(1:00辺り)が滑舌悪くて「すぽぽきょう」にしか聞こえなくなるのは笑える。曲が始まって車がずれた時にハチロクが後ろに見えるシーンは確かに鳥肌シーン。

（３）Initial D Legend – The Eurobeat Collection。４０分ぐらいあるけど一気に見てしまいかねないので注意が必要。これも良いけど、初期の作画も良い。どちらにしてもユーロビートがいろんな良さを爆上げしてる。

博士学生のディフェンス

グループの博士課程の学生がディフェンスを行い、無事に卒業が決定した。２０１７年から一緒に仕事をしていて、コロナ禍によりいろいろあったものの学位取得に至ったのは何より。ディフェンスの構成は、

• 全体向けの４５〜６０分の口頭発表
• 学生と博士諮問委員（committee）だけの質疑応答の時間
• 学生を部屋の外に出して、委員だけで話し合う時間

諮問委員会は物理学科教員４人＋他の学部からの1人の計５名で構成されてる。Zoomを使ったハイブリッド発表、オンラインミーティングができるようになったのは、コロナのおかげ。いろんな人に発表を見てもらえる良い機会になってる。特に、この学生は奥さんと子供もいてるので、家族がZoom越しに学生の発表を見てたのは良かったかな。

大きな山場は質疑応答。基礎から専門まで幅広く質問されて、理解しているかを試される時間。委員からの質問にも良い感じで返せていて、学生を外に出して委員だけの議論の場でも良い評価。博士論文も仕上がってるし、博士論文の修正はマイナーな修正のみで満場一致で合格。主な成果は、学生が書いた論文が１本に、共著者としての１本の合計２本。まだ次の仕事先が決まってないのが心苦しいところやけど、卒業が決定したことは何より。今回で2人目の博士が誕生した。まだまだ研究室運営、学生との接し方等、学ぶことは多く、着いてくれた学生には感謝。

学会始まる

月曜から１週間の学会開始。アメリカのプラズマ物理学会と比べて、コンパクトに纏まってる。メインの大ホールみたいなところで開会の挨拶、異なる分野の最先端の研究の話があって、少し小さめの会場に専門分野ごとに分かれての招待講演。お昼を挟んで、ポスターセッション、その後、さらに招待講演とか通常の講演(contributed talks)。お昼が長めなのと、ポスターセッションが午後いちにあるのは珍しい気がする。ポスター発表の会場には、コーヒー、紅茶、オレンジジュース、グレープフルーツジュースなどがあって、カヌレ、マカロンも。さすがフランス・ボルドー。

初日だけでもなかなか充実してて、明日は自分の発表。前回、招待講演したときに何の質問も出なかったから、今回はいくつか質問がもらえるとありがたいとこ。

学士学位研究発表

５月中旬、今年の初めから一緒に研究していた学部生の学士学位研究発表が行われた。学士研究（Senior Thesis research）は、研究テーマを通してその研究意義、手法などを理解して、実際に何か研究成果を出し、そこそこの長さの学位論文を書く必要がある。そのため、通常、２セメスター分ぐらいの期間（〜９ヶ月）が必要と言われているが、この学生は諸事情により１セメスター（４ヶ月）で何とかしなければならない状況。無事に完成・発表を終えたからいいものの、４月頃にはどうなることかと焦った。学生が頑張るだけでなく、指導教官にとっても結構な負荷がかかる。

研究のテーマは、「モンテカルロ・シミュレーションを用いた広帯域X線ラジオグラフィー用放射線遮蔽の設計 （Monte Carlo simulations of radiation shielding design for broadband x-ray radiography at Zebra Pulsed Power Laboratory）」。以前行ったパルスパワーと高強度短パルスレーザーを組み合わせた実験で、X線イメージを測る検出器がノイズまみれになってしまった。その検出器を電磁波・X線から守るための遮蔽を実際に作成することを目標に数値計算を行った。学生は実験の背景、X線の発生機構、数値計算コード（PHITS）の使い方、コード内の物理などなどいろいろ学んだはず。

発表はZoomとin-personのハイブリッド方式で行い、計５０人ぐらいの参加者で過去最高。オンラインで参加できるようになったことで、意外と家族、大学外の友達、仕事仲間等が見てみたいって参加したらしい。発表後、指導教官とReaderと呼ばれるもう1人の教授、学生のみでClosed Sessionと呼ばれる質疑応答。その後、学生を退出させ、教員らで学生の合否を話し合う。Readerは学生の成果に満足していたし、無事卒業できて何より。

Pythonを使ったStoppingの計算

高強度レーザーを使うと、荷電粒子（電子、陽子、イオン）を高エネルギー（MeV ~ GeV）に加速できる。加速された高エネルギー粒子が物質との相互作用でエネルギーを失う過程は、その粒子の種類とエネルギー、また物質の特性によって決まる。このエネルギー減衰は、阻止能（Stopping power）と呼ばれていて、データベース化された情報をもとに計算できる。自分は、有名どころのSRIM/TRIMというソフトやモンテカルロコードのPHITSを使って計算しているが、最近、新しいPythonを使ったプロトンの減衰計算が公表されて、この手法はSRIM/TRIMよりも簡単に、実験で使うプロトン計測のフィルムパックのデザインができそう。

プラズマ物理に特化したPythonのコード集は、PlasmaPyとして公表されている。宇宙物理用には、AstroPyというのもある。最近、PlasmaPyの例題に「Synthetic Charged Particle Radiographs with Multiple Detector Layers」というのが追加された。これは、加速されたプロトンで像を取得する場合に、広く使われているプロトン用のフィルム（Radiochromic Film, RCF）と金属箔膜のフィルターをどういう組み合わせで使うのが良いか計算するプログラム。例題を自分で試してみると、簡単に計算できた（最後のエネルギーだけは出てないけど）。最近、あまりプロトン計測の実験をしていないけど、次の実験の時には学生自身がこのコードを使ってフィルムのデザインが出来そう。

中高生の自由研究課題になりそうなもの

教えるようになってから、子供の頃に親しんだ「学研の科学」のような実験課題がインターネット上に溢れていることに気づいた。例えば、American Journal of Physicsっていう学術雑誌に、３Dプリンターを使って自分でパーツを作ったり、Amazonとかで簡単に買えるようなものを使って物理実験をする内容のものがちょこちょこ載っている。春セメスターに「光学（Optics）」を教えていることもあって、授業の内容に沿っていて紹介できるものを探していたところ、偏向（Polarization）に関する論文「Optical measurements on a budget: A 3D-printed ellipsometer」を見つけた。Ellipsometerは薄膜からの反射を計測することで薄膜の厚さ、表面の荒さ、屈折率などの光学特性を調べるもの。特に、光学、半導体業界で使われているものらしいが、高額なため学校の実験等では見かけない。そこで、この論文では、低コストで手動式のEllipsometerの作成方法とその性能、さらに元となる物理の理論も含めて紹介している。ざっくりいうと、学生の夏の自由研究としてちょうど良いんではないかな。内容が全部わからなくても、頑張れば中学生でも再現は出来そう。価格は１万５千円ぐらい。

必要な知識としては、光の偏向、反射。例えば、レーザー光が薄膜にある角度で照射された際、どのぐらいの反射率になるのかとか位相の変化はどうなるのか。また、一番簡単な２つの光の干渉ではなく、全ての反射光を考慮した位相を考える必要があって、ちょっとややこしい。さらに、偏向を数値的に記述するために、Jones Vectors, Jones Matrices、Stokes parametersを使ってる。難しくはないけど、中高生には馴染みがないかも。課題としてやるなら、（１）英語の原文を読むこと、（２）実際に作ってみること、（３）結果の再現性、（４）考察、（５）まとめと展望、という感じかな。研究者の訓練としては良いかも。

最終講義に参加

日本の年度末である３月は、退職される研究者の方の最終講義が多い。今までは偶然、日本に帰ってる時にしか参加できなかったのが、リモートワーク（Zoom）のおかげでアメリカからでもリアルタイムで参加できるのは有難い。ここ２週間の間に、同じ分野の３人の方の最終講義に参加した。最終講義というだけあって、研究者人生を全て振り返るスタイルの発表。学生時代、ポスドク時代、研究者時代、それぞれの時代に研究していたテーマを紹介したり、その時にお世話になった先生、同僚、後輩への謝辞などなど。 今までに参加したものも含めて、「そういう研究もされていたんですか？」って感銘を受けることが多く、かなり聞き応えがある。と同時に、もっと早く知っておきたかったなとも。聞けば聞くほど、論文になってない仕事が多いこと。参加申し込みをした時に、「一言どうぞ」っていう案内には「おめでとうございます」とは書くものの知り合いが減っていく寂しさの気持ちが多め。

週末前にちょっとタホ湖へ。この冬はよく雪が降っていて、まだまだどかっと雪が残ってる。湖と雪、砂浜の組み合わせが不思議な感じ。タホ湖でアルティテュード（高所）ダイビングはできるけど、水はめちゃめちゃ冷たいので、夏以外はお勧めできへんかな。いや、知らんけど。