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自然現象の定式化を通して、世界の背景を理解する。

高等共創研究院/レーザー科学研究所 准教授 岩田夏弥

自然現象の定式化を通して、世界の背景を理解する。

固体・液体・気体に次ぐ、物質の第4状態=「プラズマ」。

 私が専門としているのは、「プラズマ物理学」の理論研究です。レーザーの高密度な光を利用してプラズマを発生させ、その挙動を物理式に落とし込むことに挑戦しています。「プラズマ」とはなんなのか。言葉は聞いたことがあっても、具体的には知らないという方が多いのではないでしょうか。プラズマとは平たく言えば、固体・液体・気体に次ぐ物質の第4の状態のこと。実は宇宙に存在する原子の99%が、このプラズマ状態にあります。

 固体・液体・気体、それぞれの状態が想像しやすい「水」を例に考えてみましょう。固体である氷に熱を加えると、結合していた分子同士が離れて液体=水に変わります。そこにさらに熱を加えると、分子がさらに分離。水蒸気と呼ばれる気体に変わっていきます。水蒸気は「H2O」と呼ばれる分子でできていますが、ここにまた強いエネルギーをかけると、分子は「H」と「O」、つまり「原子」に乖離します。世の中にあるものはこの原子が組み合わさって分子になり、分子がさらに結合することでできあがっているのです。原子を構成するのは、「原子核」と、その周囲に存在する「電子」。この「原子」に、さらに高いエネルギーをかけると、電子が原子核から離れる「電離」現象が発生。原子核は電子を失ったことにより「イオン」になり、物質は電子とイオンが混在して動き回る、非常に活性化した状態になります。この電子とイオンが自由に運動する状態がプラズマであり、雷や炎、太陽などはプラズマ状態の物質で構成されています。

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自由なのに、集団で動く。プラズマの挙動特性の定式化に成功。

 高いエネルギーを加えることでプラズマは人工的に作り出すことができます。プラズマを発生させるエネルギーとして使われるものの1つに、レーザーによる高密度な光があります。私が所属する大阪大学のレーザー科学研究所には日本で最も大きいレーザー装置があり、光線を固体などに当てて高温プラズマを長時間発生させることができます。ここでいう長時間とは、1兆分の1秒程度の時間。「1兆分の1秒が長時間?」と思うかもしれませんが、これまでのレーザー技術では10兆分の1秒ほどしか光線を照射できなかったことを考えれば、実に10倍もの時間、エネルギーを加え続けられる技術だと言えます。

 私自身は理論物理学者なので、実験は行いません。しかし実験物理学者のチームから、レーザー照射に伴って、本来なら奥へ押し込まれていくはずのプラズマが光を押し戻す動きをする、という報告を受けていました。私たちはこのプラズマの特殊な挙動に着目。シミュレーションを重ね、エネルギーを長時間受けたプラズマでは軽い電子が光によって前に押されると同時に、重いイオンが後ろにまわり、あたかも光を押し返すような応対をすることを突き止め、その現象を物理式に落とし込むことに成功しました。

 自由に動けるはずのプラズマ粒子が、ある状況下において集団で動き、特殊な挙動をとる。未知の部分が多いプラズマの集団現象の1つを定式化できたことは、プラズマ制御につながると考えています。プラズマの適切な制御は、エネルギー供給の問題を解決するカギ。太陽が巨大なプラズマであることから分かるように、高エネルギー密度のプラズマをつくると、核融合が可能になります。つまりレーザーで人工太陽をつくり、そこから膨大なエネルギーを取り出すような技術開発につながり得るのです。安定したレーザー核融合の確立のためには、プラズマ制御は必須の技術。プラズマが起こす現象、その動きの背景にある物理を解明することは、こういった壁を破るきっかけになるかもしれません。

美しい物理式を通して、宇宙や自然を見つめたい。

 驚かれることが多いのですが、私はもともとイルカが大好きで、幼い頃はイルカの飼育員になりたいと思っていました。子供の頃、それを水族館の方に相談すると「そこまでイルカが好きなら、イルカを研究する道に進んでは?」と提案されました。そういった背景もあって、生物か物理を学ぼうと思い、大学では理学部に進学。そこで初めて知ったのが「波動方程式」の存在です。私が美しいと感じていた、波の中を泳ぐイルカの姿や、木々が揺れる様子などの「自然現象」を物理式で表現する。そんなロマンを波動方程式に感じた私は、物理の世界に進むことを決め、その後プラズマ物理学と出会いました。自由に動く粒子がさまざまなきっかけで集団現象を起こす不思議さに惹かれ、自然現象によって生まれる動きやかたちの理由を解き明かしてみたいという想いで、研究に取り組んでいます。

 理論物理学のおもしろみは、その現象をあまさず表現・説明できる式を見出せること。実験物理学者から提供されるデータや、シミュレーション結果など、ひとつひとつの事象を数式化することは時間をかければ可能です。私たちが目指すのはその一歩先、現象の背景にあるエネルギーの動き、プラズマ粒子など世界を構成する物質の特性を、普遍的な式で表すこと。シミュレーションを繰り返し、膨大な計算式を試す過程は決して楽な時間ではありません。しかしその結果として、美しい式にたどり着くと、文字通り私の目には世界が変わって見えてきます。色や光、温度があるとはどういうことなのかを理解し、一歩外に出てみる。すると太陽の光や風、木々の色づきなど、ありとあらゆる物理現象が輝いて見えて、大きな感動を覚えます。こういった物理学がもたらす感動を原動力に、究極的には自然界の集団現象の原理ともいえる理論を、プラズマ物理で見出していくことが私の夢です。



- 2050 未来考究 -

プラズマ現象のシームレスな表現が、次世代エネルギー開発の糸口に。

研究の種を得るためや、式の正当性を検証するために、理論物理学の分野では物理シミュレーションを実施します。理論の進歩や計算機の発展とともにシミュレーションの精度や速度は年々向上しているものの、現状はプラズマ現象の一部を切り出すことしかできません。しかし2050年には大幅に高精度化したレーザー実験とともにシミュレーションモデルも進化し、プラズマ一粒一粒の挙動から大規模な集団現象までのシームレスな表現が可能になるかもしれません。そんな日が来れば、プラズマの理解は飛躍的に進歩。今は夢の技術であるレーザー核融合によるエネルギーの製造も、実現に近づくと思います。


岩田准教授にとって研究とは

世界の見え方を変えてくれるもの。色や光など、身近なものの真理を知ることにより、違って見える。その瞬間が理論研究の醍醐味です。

○岩田 夏弥(いわた なつみ)
大阪大学高等共創研究院 准教授(レーザー科学研究所兼任)
名古屋大学理学部卒業後、京都大学大学院エネルギー科学研究科にて修士・博士課程を修了。日本学術振興会特別研究員PDを経て、大阪大学レーザー科学研究所特任研究員(常勤)、講師、特任講師(常勤)を務めたのち、2021年1月より現職。

(2022年12月取材)