「理学」が「工学」に大きな進展をもたらし，それが新たな「理学」の世界を生み出す。
東京大学 名誉教授 清水 忠雄
原子時計とマイクロ波分光学
聞き手：清水先生のご専門は，レーザーを使った分光学ということですが，最初に，レーザー分光の研究を始められた経緯からお伺いできればと思います。
清水：私が東京大学の物理学科に進学したのは1953年で，その志望動機というのは，一番好きな科目が物理だったからです。
聞き手：今の時代は物理が好きな子どもが少なくなっていますが，先生の時代はいかがでしたでしょうか？
清水：われわれの時代は，戦争で疲弊した日本が立ち直り，復興の兆しを見せ始めたころで，物理学科に進んだら「食っていけないよ」と言われた時代でした（笑）。
ですから，生活していくための手段がいるということで，同期の者はみんな高校の教員免許を取得していました。近ごろ一般の学生が物理に興味をもたなくなったということはあるかもしれませんが，物理を一生やっていこうと思う人の数は，いつの時代でもあまり変わらないかと思います。
聞き手：先生が学生だったころは，まだレーザーが発明される以前だと思いますが，当時はどのような研究をなさっていたのですか？
清水：当時はメーザー（MASER：Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation）が発明されたころで，東大では霜田光一先生が中心となって研究をなさっていました。私が後にレーザー分光の研究に携わるようになったのは霜田先生の研究室に入ったことが大きいと思います。
そもそも霜田研に入った理由というのは，卒業研究で研究室を選ぶ時期に，東大の霜田研究室において，「300年に1秒しか狂わない原子時計が完成した」という新聞報道を読んだからです。霜田研での研究生活が面白く見えました。
聞き手：霜田先生のところでは，どのようなことを研究されたのですか？
清水：私が最初に行ったのはマイクロ波分光学です。原子時計を目指して入ったのに，マイクロ波分光学というのは変だと思われるかもしれませんが，実は密接な関係があります。
マイクロ波の理学への応用は，私が大学に入ったころに本格的に研究がスタートした分野で，このマイクロ波分光学は，原子時計や，メーザー，さらにはレーザーにもつながっています。
聞き手：マイクロ波分光学というのは，どのようなものなのですか？
清水：分光学というのは，分子や原子の応答を電磁波の波長や周波数の関数として調べる学問ですが，マイクロ波分光学では文字通り，マイクロ波を使って分子の構造を調べます。このため分子分光学とも呼ばれます。このマイクロ波分光学を修士までやりました。
博士課程では，研究テーマをメーザーに変え，波長が数100mのラジオ波を使ったメーザーの研究を行いました。このとき開発した「ラジオ波メーザー」は，長い波長の方のチャンピオンデータでしたが，この記録は今でも破られていないと思い ます。
聞き手：博士課程を修了された後は理化学研究所に移られていらっしゃいますが，ここでレーザーの研究を始められたのですか？
清水：理研に入ったのが1961年で，ここからレーザーの研究に入りました。CO2レーザーやルビーレーザーの研究からスタートし，その後は，レーザー分光学に取り組みました。理研での研究成果の一つが「二重共鳴」です。分光というのは，光源の電磁波の波長を変えていき，物質の応答を見ていくわけですが，マイクロ波とレーザー光というように2つの電磁波を使うのが「二重共鳴」です。
一つの光源だけだと分子や原子の構造しか分かりませんが，二重共鳴のように光を2つ使えば，分子や原子の時間に依存した特性が分かるようになります。
例えば，レーザーを止めた後に，マイクロ波のスペクトルがどのように変化するのかを調べると，分子の静的な特性だけではなく，この分子がどのように状態を変えていくのかというようなことが分かります。
理研には10年ほどいて，1971年に東大に戻りましたが，戻った後に行った「コヒーレント過渡分光学」などはまさにそれです。分子の定常的な状態を調べるのではなく，移り変わりの状態を調べるのです。東大を定年退官するまでは，いろいろな手法を開発しながら，そのような研究をメインに行っていました。
聞き手：先生は，レーザー分光のほかにも，レーザー冷却やレーザーカオスといった研究もなさっておられますが，それはいつごろされたのですか？
清水：レーザー冷却やレーザーカオスの研究は東大でスタートしましたが，ことにレーザー冷却の実験は，東大を辞めた後に行った東京理科大学でしました。東京の神楽坂キャンパスに2年おり，その後山口東京理科大学に移ったときには，東大にいたころよりも充実した設備を用意してもらい（笑），原子イオンのレーザー冷却などの研究をしました。
聞き手：山口東京理科大学の次に，産業技術総合研究所に移られるわけですね。産総研でのお仕事は現在もやられているのですか？
清水：山口東京理科大学には6年間いました。ここで2回目の定年を迎え，今度は産総研の計量標準研究部門に客員として招いてもらい，今年で6年目になります。産総研では研究というよりも，計量標準の知識を広く知らせる普及活動に携わっています。
標準と分光
聞き手：先生のご専門はレーザー分光ですが，計量標準とレーザー分光は何か関係があるのですか？
清水：非常にあります。1秒の定義は，以前は地球の自転速度により決められていましたが，地球の自転速度は一定ではありません。そこで，1967年に開催された国際度量衡総会において，セシウム133原子を使った原子時計に改められました。参考までにお話しすると，先ほどお話した霜田先生が研究されていた原子時計はアンモニア分子を使っています。
原子時計というのは，原子や分子が特定の周波数の電磁波を吸収・放射する性質（スペクトルにおける吸収線と輝線）を利用しています。周波数と時間は逆数の関係にありますから，周波数が正確に求まれば，時間は逆数を計算することで簡単に求まります。
長さの標準に関しては，昔はメートル原器というものがあり，それが基準でしたが，1960年にクリプトン86原子のスペクトル線の波長を用いたものに改められました。そして，1983年にはこれも改定され，現在の長さの標準は，真空中の光の速度が基準になっています。
というのも，光の速さというのは，ご承知のようにアインシュタインの相対性原理よって，どんな座標系に移っても変わらないものとされています。全宇宙で一定不変なものですから，これを定義にしてしまおうということで，1983年の国際度量衡総会において，光の速さは，そのころ最も正確と思われていた実験値「299,792,458m/s」に決められたわけです。そうすると，長さの標準は計算で求まります。「長さ（距離）」=「速度」 × 「時間」ですから，長さが知りたければ，例えば，あるスペクトル線の周波数を測って時間を出し，先ほど定義した光速によって計算すれば求まります。
聞き手：なるほど。
清水：結局，「スペクトル線の波長」などを正確に求めるのには，レーザーを使わざるを得ません。数十年前に霜田先生が原子時計の研究をされていたときも，マイクロ波分光学と原子時計が密接につながっていましたが，現在においてもレーザー分光学が標準と密接につながっている事情と変わりがありません。
聞き手：ようやく標準と，分光のつながりが分かりました。
清水：そのようなことで，産総研に非常勤で招いてもらって，計量標準の普及活動に携わっています。
現状では，ごく一部を除いて大学で計量標準の講義がありません。
私たちが学生のころには，寺田寅彦の直弟子である平田森三先生から計量標準の講義を受けた記憶があり，こうしたことに強い感心を引き出されました。一部には，「そういう講義をやって何になるか」という声もありますが，意義はあると思います。計量標準の精度が上がれば，それで初めて見えてくる事象が必ずあります。計量標準の改善・開発は，決してゆるがせにはできません。
標準の話は，できれば多くの大学で講義をしてもらいたいと思います。いくつかの理解ある大学が協力してくれていますが，それが長続きしません。担当者が代わるとなくなったりします。それが少し残念です。
大学の物理学科や物理工学科の学生さんたちが興味を持ってくれて，こういう分野にどんどん入ってきてくれれば，標準そのものが良くなりますから。
「理学」と「工学」
清水：そもそも，メーザーやレーザーの発明でノーベル賞を受賞した，チャールズ・タウンズが最初にメーザーという言葉を案出した1955年の論文のタイトル「The Maser-New type of Microwave Amplifier, Frequency Standard, and Spectrometer」には「Frequency Standard」という言葉が入っております。これは原子時計のことです。
つまり，メーザーの開発段階ですでに原子時計という応用を意識していたわけです。「メーザーで原子時計を作ればもっと高精度なものができるのではないか」というわけです。 私はこういった点が，欧米の科学者の偉いところだと思います。「メーザーという理学的な研究が何に応用できるか？」という意識がちゃんとあるわけです。科学は，「理学」だけでも駄目ですし，「工学」だけでも発展しません。
聞き手：確かに，先生のおっしゃるとおりだと思います。
清水：今年は「レーザー発明50周年」といわれています。レーザーは1960年に出現し，その6年前の1954年に前身のメーザーが生まれました。メーザーの波長は，最初は1cm程度でしたが，改良されて数年後に1mm程度になりました。しかし，それからしばらくは短波長化ができませんでした。そのような苦しみの時代があって，1960年に一気に3桁波長が短くなり，光メーザー（レーザー）が出現しました。そして，そこからまた改良が進められ，レーザーの種類は圧倒的に増えましたが，短波長化という点では，50年経ったいまでも1桁程度です。一方，レーザーのパワーは最初の10年間で毎年10倍程度と指数関数的に上がりました。現在では，レーザーは人々の生活にも，なくてはならないものになっています。
聞き手：レーザーはCDの開発を契機に，一般の家庭にも入ってきたイメージがあります。
清水：レーザーだけでなく，発展の著しい技術分野の特徴というのは，理学的な発明・発見がされたときに，工学分野において急速に研究が進み，そこで出てきた技術やデバイスが，今度は理学的な研究にフィードバックされ，お互いに相乗効果を発揮して進んでいるところだと思います。
そのためには，高い工業レベルという要素も必要です。例えば，日本で最初にレーザーが作られたときには，レーザー結晶や反射鏡を平らに研磨する技術が十分ではありませんでした。レーザーの反射鏡の精度は，波長の数10分の1程度必要ですが，これが難しかったのです。しかしながら，当時の日本の工業レベルが高かったということで，たちまちのうちに高精度な反射鏡を作ることができるようになりました。
現在日本では，科学技術政策についてさまざまな議論がなされていますが，今後日本が科学・技術においてさらなる発展を目指そうとするならば，科学と技術がそれぞれ独自性を保ちながら，しかも相乗効果が発揮されるような仕組みを積極的に作り出す必要があるのではないでしょうか。
「ライブラリアンの悪夢」
聞き手：前回は，先生の研究生活を中心にお伺いしました。先生は東京大学附属図書館の館長もおやりになられたそうですが，附属図書館の館長のお仕事というのはどのようなものなのですか？
清水：東京大学は中央に総合図書館と名づけられた大きな建物を持っているほかに，全学の学部・学科・研究所に散在した中小規模の40に近い図書館・図書室をもっています。これらすべてを総称して附属図書館といっているのですが，この全体の円滑な運営や相互利用の便に責任をもっているわけです。当時は電算化，一般市民への図書館の公開，資料のコピーサービス，高額な図書資料購入の役割分担などの問題があったと記憶しています。学外では国立大学図書館協議会の会長館として，文献複写や著作権など大学図書館が共有する問題の解決のための協議をしていました。
聞き手：東京大学の附属図書館長というのは，そのようなお仕事があるのですか。
清水：その中で一番大きな問題は図書館の電算化でした。当時は，総合図書館にもコンピューター端末が数台並べられるようになり，そこに学生が群がっていました。
そのような状況のときに，図書館の広報紙に「ライブラリアンの悪夢」という文章を執筆したことがあります。「将来のライブラリーは，がらんとした部屋に，ずらっとコンピューター端末が並べられていて，コトコトとキーをたたく音だけが聞こえるという風景になるかもしれない。これは，暗い書庫の埃と匂いがたまらなく好きだというライブラリアンにとっては耐え難いことかもしれない」という趣旨だったかと思います。
この文章を書いたのは，1990年ごろです。幸い，現在も図書館に本は並んではいますが（笑），少なくとも学術雑誌の検索に関しては「悪夢」の状況を飛び越し，研究室や自宅の端末で操作できるようになり，人々は図書館に来ることもなくなってしまいました。進歩というのは非常に早いものだと感じます。
聞き手：最近もアップル社からiPadが発売されて話題になりましたが，「ライブラリアンの悪夢」どころか，将来的には図書館がただのデータセンターになり，本は1つの地下巨大倉庫に保管されるといった「出版業界の悪夢」の時代が来るかもしれません（笑）。
清水：われわれが図書館で仕事をしていたころは，古い文献を電算化する「遡及入力」に，驚くほどの手間と費用がかかることが大問題でした。各大学でその作業をどう分担するかなど議論していました。現在は，主だった学術雑誌は出版元が電子化していますので，例えば，過去の論文が読みたいときには図書館に行かないで，出版元のサーバーにアクセスすれば，すぐに必要な論文がダウンロードできます。このOnline Journalというシステムは実にすばらしいものだと思います。
居ながらにして必要な論文のfull textが読めるし，引用している文献も，そこをクリックするだけでさっと画面に表示されます。
聞き手：先生が図書館長だったころの電算化システムというのはどのようなものだったのですか？
清水：当時の電算化の課題というのは，どうやって文献のコピーを必要な人に早く届けるかということでした。そのため，OPAC（Online Public Access Catalog）と呼ばれる検索システムが開発されつつありました。例えば「こういう文献が欲しい」というときに，このOPACを使って検索すると，その文献を所蔵している図書館の一覧が出てきます。そこで，一番近い図書館にアクセスして読みたい文献のコピーを郵送してもらうわけです。複写と郵送に関しては料金の問題が発生しますから，これらの処理方法を含めて国立大学図書館協議会などで話し合ってシステム化したわけです。現在でも，国立情報学研究所がこの事業を引き継いで，NACSIS-CAT（総合目録・所在情報データベース），NACSIS-ILL（図書館間相互貸借サービス）という名称で運営されているかと思います。
物質に興味を持つのが化学で，現象に興味を持つのが物理
聞き手：先生がこれまで研究されてきた，原子・分子分光学というのは物理学の分野ですが，化学的な要素も多分に含まれている感じがします。以前，先生は講義で「物質に興味を持つのが化学で，現象に興味を持つのが物理」ということをおっしゃられたということをお聞きしましたが，これはどのような意味なのでしょうか？
清水：これは，あくまでも一面的な個人的見解ですが，物理の研究者というのは，方法論を開発することには割と熱心です。しかし，それがひとたびできあがってしまえば，次の話題に移行していきます。例えば，物理の研究者が高出力のレーザーを作ったとしたら，その装置でいろいろなことを調べたりするということはあまりしないのではないでしょうか。
しかし化学の研究者は，高性能な装置ができればそれを使っていろいろなものを調べ，そこから帰納的に法則を見つけていくわけです。化学の人と物理の人の考え方の違いは，その辺にあるのではないかと思います。
聞き手：以前，酸化チタンを使った水の光分解で有名な本多健一先生にお話を伺ったときに，物理学者と化学者の合同プロジェクトでは，同じ現象について話していても，お互いにとらえ方が違うため，コミュニケーションするのに非常に苦労したということをお聞きしました。
清水：原子・分子分光学というのは，化学と物理の中間的な学問ですから，物理だけでなく化学の世界の研究者とも交流があります。化学の人はいろいろな物質に関心があり，限定した特殊な世界からスタートし，そこで見つけた事象をさまざまなものに適応していきます。一方，物理の研究者は，特殊なものにだけ適応できる法則ではなくて，一般的に適応できる法則・方法を発見しなければ駄目だというような雰囲気があったりします。これらのことを踏まえて一言で表現すると，「物質に興味を持つのが化学で，現象に興味を持つのが物理」となるわけです。このように認識していれば，話は通じやすくなります。
化学の人は，物質に対する感覚が非常に鋭いといいますか，「この物質でこうなら，こっちの物質ではこうなるはずだ」というような類推が非常に発達しています。そのあたりは，いつも感心させられました。
以前，化学の研究者に「先生の研究室ではアンモニアを使った研究ばかりやっていますが，何でアンモニアがそんなに好きなのですか？」と聞かれたことがあります（笑）。確かに私の研究室では， 10人ほどの人がアンモニアの分子を使った研究で学位を取っています。しかし，アンモニア分子に興味があるのではなく，手段としてその分子を使っているだけです。アンモニア分子は，分光学的な試みに対して，いくつかの良い特徴を持っているのですが，化学的にいうと結構特殊な分子なのだそうです（笑）。
原理的な見直しが大きな躍進をもたらす
聞き手：現在は昔と違って，インターネットも普及し，研究者の研究環境も大きく変わっていると思います。さらに科学分野も事業仕分け等で，研究の方針を見直さなければならないこともあると思いますが，先生の長年の研究生活から，このような時代に世界をリードするような研究成果を出すためには，日本の研究者はどのようにしたらよいとお考えですか？
清水：この20～30年，通信機器の発達はめざましいものがあります。インターネットの普及は世の中のあり方だけでなく，学問の世界もすっかり変えたと言っても過言ではないでしょう。われわれが研究者として仕事を始めたころは，海外とのやりとりは大変でした。とにかく片道1週間以上かかることは覚悟しなくてはなりません。例えばある学会に，期限に間に合うように参加を申し込んだりするためには，少なくとも10日前には書類を発送しました。現在は電子メールで即座に申し込みができますし，リアルタイムで議論もできます。
このように何もかもがスピーディーに進む中，資源と人材は有限ですから事業仕分けというのは，それなりに意味のあることだと思います。このような言葉が出てきたというのは，決して悪いことではないと思います。事業仕分けで実際にいろいろな予算が削られたとカッカしている人が多いわけですが，やはり一度はカッカする必要もあると思います。科学技術立国を目指すといえども，流行の言葉で言うならば「説明責任」があるわけです。ですから，学問の世界にも「再考する」，「反省する」ムードが出てくるというのは悪いことではないと思います。一般の納税者が「よく分からないけれども，たぶん大事なのだろう」ということでは，お金を出さない時代になってきたということだと思います。国費は切実なお金ですから，ヨーロッパの昔の王様みたいに，趣味で芸術にお金を出すような感覚で，学問にお金を出すというわけにはいかないでしょうから。
聞き手：確かに，アメリカや中国のように国土が広くて人口が多いわけではありませんから，“人”と“物”は選択集中が必要かもしれません。
清水：ただし，その選択と集中には大きな前提があります。決して目先のことや政治的なもので判断してはならないと思います。大局的な見地から判断する必要があります。
そのような状況になると，すぐには利益に結びつかない理学などは，とかく後回しにされがちですが，科学の画期的な進展はいつも理学から起こっているということを認識する必要があると思います。
現在あるものを改良して，具合の悪いところを直すというやり方では，少しの進展があるだけです。画期的な進展は，改善・改良の状況からは，なかなか出にくいものだと思います。技術が一気に飛躍するには，原理的なところに立ち返って「何がいけないのか」を問いかけ，原理そのものを見直すことが必要だと思います。
その一つの例がメーザーからレーザーへの発展ではないでしょうか。レーザーが発振するための一つの要件には，エネルギーが高い分子が，低い分子よりたくさん存在する状態が必要です。レーザーでは，分子が高いエネルギー状態から低い状態に移るときの差のエネルギーが光として出てくるわけですから。メーザーの原理を考えたタウンズは，エネルギーの高い分子だけをより分けて集めました。このことは光の波長（この場合はマイクロ波の波長）が長いときには可能です。光のように波長が短くなるとエネルギー差が大きくなります。分子のエネルギーが高くなると，その状態の分子は統計的に少なくなります（ボルツマン分布）。また寿命も短くなります。エネルギーの高い分子を集めようにもいないわけです。また，集めたとしても目の粗いざるで集めるようなものですから，この方法ではいくらやっても発振に至りません。そこで見いだした解決策は，エネルギーの高い分子を作り出すという発想の転換です。同じ原理原則に従う現象でも，量的な違いが大きくなると，質的に違う様相が現れ，まったく異なる対処が要求される例といえます。従来と同じ方法の改善では，発振波長は数年かけても1桁も短くなりませんでしたが，原理的な発想の転換で，一気に4桁波長が短くなりました。これがレーザーの誕生です。
聞き手：つまり，「押してダメなら引いてみろ」ではありませんが，押して上手くいかないときに，その押し方をいろいろと工夫するだけでは，大きな飛躍は望めないということですね。
清水：リサーチ&ディベロップメントといいますが，やはり，リサーチの部分というのは非常に大切だと思います。日本のいろいろな技術開発が，現場でどのように行われているのかは，私にはよく分かりませんが，単なる改良ではなかなか世界をリードするものというのはできないのではないでしょうか。そういう意味で，工学の基盤としての理学がどうしても必要になってくるのではないかと思います。そのようなことを考えてみると，これからの日本の科学のあり方も見えてくるような気がします。
（OplusE 2010年4～5月号掲載，ご所属などは掲載当時の情報です）
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