ルドルフ・パイエルス

サー・ルドルフ・エルンスト・パイエルスCBE FRS （ /ˈpaɪ.ərlz/ 、ドイツ語: [ ˈpaɪɐls ]、 1907年6月5日 - 1995年9月19日）は、ドイツ生まれのイギリスの物理学者で、イギリスの核兵器計画であるチューブ・アロイズ計画、およびその後の連合国共同核爆弾計画であるマンハッタン計画において重要な役割を果たした。1996年にPhysics Todayに掲載された彼の死亡記事では、「核物理学が世界情勢に突如として現れた劇における主要人物」と評されている。^{[ 1 ]}

パイエルスは、ベルリンのフリードリヒ・ヴィルヘルム大学、ミュンヘンのルートヴィヒ・マクシミリアン大学でアーノルド・ゾンマーフェルトのもとで、ライプツィヒ大学でヴェルナー・ハイゼンベルクのもとで、チューリッヒ工科大学でヴォルフガング・パウリのもとで物理学を学んだ。 1929年にライプツィヒ大学で博士号を取得した後、チューリッヒ工科大学でパウリの助手となった。1932年にはロックフェラー奨学金を授与され、ローマでエンリコ・フェルミのもとで、その後ケンブリッジ大学キャベンディッシュ研究所でラルフ・H・ファウラーのもとで研究を行った。ユダヤ人であったため、1933年にアドルフ・ヒトラーが権力を握った後も帰国せず、イギリスに留まることを選択し、マンチェスターのヴィクトリア大学でハンス・ベーテのもとで、その後ケンブリッジのモンド研究所で研究を行った。 1937年、バーミンガム大学に新しく着任したオーストラリア出身の物理学教授、マーク・オリファントは、彼を同大学の応用数学の新しい教授職に招聘した。

1940年3月、パイエルスはオットー・ロベルト・フリッシュと共同でフリッシュ＝パイエルス覚書を執筆した。この短い論文は、少量の核分裂性ウラン235から原子爆弾を製造できることを初めて示したものであった。それまでは、そのような爆弾には膨大な量のウランが必要であり、製造・使用は非現実的だと考えられていた。この論文は、まずイギリス、そして後にアメリカ当局の核兵器への関心を喚起する上で極めて重要な役割を果たした。また、彼は同胞のクラウス・フックスを、イギリスの核兵器計画である「チューブ・アロイズ」に採用した人物でもあった。このことがきっかけとなり、1950年にフックスがソ連のスパイであることが発覚した際、パイエルス自身も疑われることになった。

戦後、ペイエルスはバーミンガム大学に戻り、1963年までそこで働き、その後、オックスフォード大学のワイケム物理学教授およびニューカレッジのフェローとなり、1974年に退職した。^{[ 2 ]}バーミンガムでは、核力、散乱、量子場理論、原子核内の集団運動、輸送理論、統計力学の研究を行い、ハーウェルの原子力研究所のコンサルタントを務めた。1968年にナイトの称号を含む多くの賞を受賞し、『固体の量子論』、『自然の法則』（1955年）、『理論物理学の驚き』（1979年）、『理論物理学のさらなる驚き』（1991年）、自伝『渡り鳥』 （1985年）など数冊の本を執筆した。自身が開発に加担した核兵器を憂慮した彼は、『原子力科学者会報』の編集に携わり、英国原子力科学者協会の会長を務め、パグウォッシュ運動にも参加した。

ルドルフ・エルンスト・パイエルスは、ベルリン郊外のオーバーシェーネヴァイデで、ユダヤ系商人の家系出身の電気技師ハインリヒ・パイエルスの3人兄弟の末っ子として生まれた。父親はAEGのケーブル工場の経営責任者で、母親は父親の最初の妻エリザベート（旧姓ヴァイゲルト）だった。ルドルフには兄のアルフレッドと姉のアニーがいた。^{[ 3 ]}母親は1921年にホジキンリンパ腫で亡くなり、^{[ 4 ]}父親は劇作家ルートヴィヒ・フルダの義理の妹エルゼ・ヘルマンと結婚した。^{[ 5 ]}家族はユダヤ人だったが同化しており、パイエルスと兄弟はルター派として洗礼を受けた。^{[ 3 ]}成人すると、パイエルスは教会を離れた。^{[ 6 ]}

パイエルスは眼鏡が必要だったため、両親が眼鏡をなくしたり壊したりしないかと心配し、1年遅れて学校に入学した。地元の予備校で2年間学んだ後、地元のギムナジウム、フンボルト・ギムナジウムに入学し、そこで次の9年間を過ごし、 1925年にアビトゥア試験に合格した。 ^{[ 7 ]}彼は工学を学びたかったが、実務能力に疑問を持った両親は代わりに物理学を勧めた。^{[ 5 ]}彼はベルリンのフリードリヒ・ヴィルヘルム大学に入学し、マックス・プランク、ヴァルター・ボーテ、ヴァルター・ネルンストの講義を聴講した。同級生にはクルト・ヒルシュやケーテ・シュペルリングがいた。物理学の実験クラスは定員オーバーだったため、1年生は代わりに理論物理学のコースを受講するように勧められた。パイエルスは、その科目が好きだということに気づいた。^{[ 8 ]}

1926年、パイエルスは、理論物理学の最高の教師とみなされていたアルノルト・ゾンマーフェルトの下で学ぶため、ルートヴィヒ・マクシミリアン大学ミュンヘンに移籍することを決めた。同大学の同級生には、ハンス・ベーテ、ヘルマン・ブリュック、ウィリアム・V・ヒューストンなどがいた。^{[ 9 ]}当時、ボーア＝ゾンマーフェルト理論は、ヴェルナー・ハイゼンベルクとポール・ディラックの新しい量子力学によって覆されつつあった。^{[ 10 ]} 1928年、ゾンマーフェルトは世界旅行に出発した。彼の助言により、パイエルスは、1927年にハイゼンベルクが教授に任命されたライプツィヒ大学に移った。 ^{[ 5 ] [ 11 ]}

ハイゼンベルクはパイエルスに強磁性の研究プロジェクトを与えた。強磁性は金属中の電子のスピンが整列することによって生じることは知られていたが、その理由は不明であった。ハイゼンベルクは、パウリの排他原理によって引き起こされる量子力学的効果によるものだと推測した。^{[ 12 ]}パイエルスは理論を発展させることができなかったが、ホール効果の研究はより実り多いものとなった。異常なホール効果は金属の古典理論では説明できず、ハイゼンベルクは量子力学で説明できることを示す機会を感じた。パイエルスはそれを成し遂げ、最初の論文を発表した。^{[ 13 ]}

ハイゼンベルクは1929年にアメリカ、中国、日本、インドで講演するために出発し^{[ 13 ]} 、彼の推薦でパイエルスはチューリッヒ工科大学に移り、そこでヴォルフガング・パウリの下で研究を行った。パウリは彼に結晶格子内の原子の振動を調査するという課題を与えた。パイエルスはウムクラップ散乱現象を研究し、その名を付けた。彼はこの研究を博士論文「結晶における熱伝導の運動論について」^{[ 14 ]}として提出し、 1929年にライプツィヒ大学に受理された^{[ 15 ]。}彼の理論は極低温における金属の挙動について具体的な予測を行ったが、それを実験的に確認する技術が開発されるまでにはさらに20年を要した^{[ 3 ] 。}

パイエルスはフェリックス・ブロッホの後任としてパウリの助手になるという申し出を受け入れた。当時、ソビエト連邦政府の奨学金でレフ・ランダウがそこに滞在しており、パイエルスとランダウは友人になった。彼らは光子のシュレーディンガー方程式に似た一連の波動方程式を導出するために協力した。残念ながら、彼らの方程式は複雑ではあったが、意味をなさなかった。^{[ 16 ]} 1930年、パイエルスはハンス・クラーマースに会うためにオランダへ、ニールス・ボーアに会うためにコペンハーゲンへ旅した。^{[ 17 ]}

1930 年 8 月、パウリとパイエルスはオデッサで開催された物理学会に出席し、ランダウと同じくレニングラード出身の若い物理学卒業生、エフゲニア（ゲニア）ニコラエヴナ・カンネギーサーと出会った。彼はロシア語を話せず、彼女はドイツ語を話せなかったため、二人は英語で会話した。^{[ 16 ]}その後、パイエルスがレニングラードで講演するために訪れた際、二人は 1931 年 3 月 15 日に結婚した。 ^{[ 18 ]}しかし、彼女はパスポートと出国ビザを待たなければならなかった。二人は最終的にその年の夏にチューリッヒへ出発した。二人の間には 4 人の子供が生まれた。ガビー・エレン (1933 年生まれ)、ロナルド・フランク (1935 年生まれ)、キャサリン (キティ、1948 年生まれ)、ジョアンナ (1949 年生まれ)。^{[ 3 ]}

パイエルスは、転位を移動させるのに必要な力を理解する上でエゴン・オロワンを支援し、その力はフランク・ナバロによって拡張され、パイエルス・ナバロ力と呼ばれるようになった。1929年、彼はチューリッヒでハイゼンベルクとパウリの指導の下、固体物理学を研究した。彼の初期の量子物理学の研究は、半導体の熱伝導と電気伝導の挙動を説明する正のキャリアの理論につながった。彼は半導体の「ホール」の概念の先駆者であった。^{[ 19 ]}彼は、現在そのアイデアにブリルアンの名前が付けられているにもかかわらず、レオン・ブリルアンより前に「ゾーン」を確立し、それをフォノンに適用した。そうすることで、彼はフォノンのボルツマン方程式とウムクラップ過程を発見した。^{[ 1 ]}彼は、ドイツの大学で教える権利を得るために、この主題に関する論文を教授資格のために提出した。^{[ 20 ]} Physics Today誌は、「金属中の電子に関する彼の多くの論文は、今や文献に深く浸透しており、磁場中の伝導率や固体中の電子理論におけるホールの概念への彼の貢献を特定することは困難である」と指摘した。^{[ 1 ]}

1932年、パイエルスはロックフェラー奨学金を得て海外留学し、ローマでエンリコ・フェルミのもとで、その後イギリスのケンブリッジ大学キャベンディッシュ研究所でラルフ・H・ファウラーのもとで研究を行った。^{[ 21 ]}ローマでは、パイエルスは電子バンド構造に関する2つの論文を完成させ、その中でパイエルス置換を導入し、低温における金属の反磁性の一般式を導出した。これにより、それまで謎とされていたビスマスの性質、すなわち他の金属よりも反磁性が顕著であるという性質が説明された。^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]}

アドルフ・ヒトラーがドイツで権力を掌握したため、彼は1933年に帰国せず、イギリスに留まることを選択した。彼はオットー・シュテルンからハンブルク大学の職の申し出を断った。イギリス滞在許可を得た彼は、ドイツや他のファシスト諸国からの学術難民を支援するために設立された学術支援評議会からの資金援助を受けて、マンチェスターのヴィクトリア大学で働いた。^{[ 25 ]}彼の近親者のほとんどもドイツを離れた。彼の兄弟とその家族はイギリスに定住し、彼の姉妹とその家族は彼の父と継母とともに、叔父のジークフリートが住んでいたアメリカ合衆国に移住した。^{[ 26 ]}

ペイエルスは、ジェームズ・チャドウィックから挑戦を受けた際、光崩壊と合金の統計力学についてベテと共同研究を行った。彼らの研究成果は、完全合金における構造相変化の平均場理論の基礎として今もなお用いられている。^{[ 22 ]}彼の研究の大部分は金属の電子理論に関するものであったが、ディラックのホール理論にも着目し、^{[ 27 ]}ベテとニュートリノに関する論文を共著した。^{[ 28 ]}マンチェスター大学は彼に理学博士号を授与した。^{[ 29 ]}ケンブリッジに戻った彼は、モンド研究所でデイビッド・ショーエンバーグと共に超伝導と液体ヘリウムの研究を行った。^{[ 27 ]}ケンブリッジ大学セント・ジョンズ・カレッジは、規則に従って彼に講義を行う権利を与えるため、職権で修士号を授与した。^{[ 30 ]}

1936年、マーク・オリファントはバーミンガム大学の物理学教授に任命され、そこで新たに創設する応用数学の講座についてパイエルスに打診した。（応用数学とは、今日でいう理論物理学のことである。）パイエルスはハリー・マッセイとハリー・ジョーンズとの競争にもかかわらず、その職を得た。この任命により、パイエルスはついに安定した終身の地位を得た。^{[ 31 ]}彼の教え子には、フレッド・ホイルとインド出身の学生PL・カプールがいた。 ^{[ 32 ]}カプールと共に、グレゴリー・ブライトとユージン・ウィグナーが摂動論で最初に与えた核反応の分散公式を導出したが、一般化条件も含まれていた。これは現在、カプール・パイエルス導出として知られている。これは今でも使われているが、1947年にウィグナーとレナード・アイゼンバッドはより広く使われている別の方法を開発した。^{[ 32 ] [ 33 ]} 1938年、パイエルスはコペンハーゲンを訪れ、ボーアとジョージ・プラツェクと共同で、現在ボーア・パイエルス・プラツェク関係として知られる論文を執筆した。第二次世界大戦が勃発したため、論文は出版されなかったが、草稿が意見を求めて回覧され、史上最も引用された未発表論文の1つとなった。^{[ 34 ]}

戦後、物理学者の需要が高まり、パイエルスはいくつかの大学からオファーを受けた。^{[ 75 ]}彼はウィリアム・ローレンス・ブラッグからケンブリッジでの職のオファーを真剣に検討したが、バーミンガムに戻ることにした。^{[ 76 ]}彼は核力、散乱、量子場理論、原子核内の集団運動、輸送理論、統計力学の研究を行った。^{[ 1 ]} 1953年、パイエルスは固体物理学に関する講義ノートを本にまとめ始めたとき、固体物理学をほぼ手放していた。金属結晶中の原子の配置方法を再考した彼は不安定性に気づいた。これはパイエルス転移として知られるようになった。^{[ 77 ]}

パイエルスは、優秀な研究者を引きつけることでバーミンガムの物理学科を発展させた。その中には、ジェラルド・E・ブラウン、マックス・クルック、トニー・スカイム、ディック・ダリッツ、フリーマン・ダイソン、ルイージ・アリアルド・ラディカーティ・ディ・ブロゾロ、スチュアート・バトラー、ウォルター・マーシャル、スタンレー・マンデルスタム、エリオット・H・リーブなどが含まれる。^{[ 78 ]}数理物理学の学部が設立された。パイエルスは量子力学の講義を行ったが、これは戦前にはバーミンガムでは教えられていなかった科目である。^{[ 79 ]}

1946年、パイエルスはハーウェル原子力研究所のコンサルタントとなった。1950年にフックスが理論物理学部門長の職を解任された後、モーリス・プライスが非常勤でその職を務めたが、プライスが1年間のサバティカル休暇でアメリカに行った際に、パイエルスが後任となった。最終的にブライアン・フラワーズが常勤でその職に就いた。^{[ 80 ]}パイエルスは、アメリカ側の要請によるセキュリティ審査の透明性の欠如を理由に、1957年にハーウェルを辞任した。彼は、これは上級職員が自分を信頼していないことを示していると感じた。しかし、1960年に復帰を要請され、1963年に復帰し、その後30年間コンサルタントとして留まった。^{[ 81 ]}

パイエルスは1963年にオックスフォード大学のワイケム物理学教授に就任し、1974年に退職するまでその職を務めた。^{[ 3 ]}彼は『固体の量子論』（1955年）、『自然の法則』（1955年）、『理論物理学の驚き』（1979年）、『理論物理学のさらなる驚き』（1991年）などの著書や自伝『渡り鳥』（1985年）を執筆した。自身が開発に関与した核兵器を懸念し、彼は『原子力科学者会報』の編集に携わり、英国原子力科学者協会の会長を務め、パグウォッシュ運動[ ^{1 ]や、現在セーファーワールドとして知られるFREEZE [ 82 ]にも}関わった。

ジェニアは1986年10月26日に亡くなった。パイエルスは視力が衰えたものの、精力的に活動を続けた。1994年、心臓、腎臓、肺の疾患を含む複数の健康問題を抱え、オックスフォードシャー州ファーモア近郊の老人ホーム、オークンホルトに移り住んだ。彼はコンピュータ画面で拡大文字の科学論文を読むのが好きだった。1995年も健康状態は悪化し続け、^{[ 83 ]}チャーチル病院で定期的な腎臓透析が必要となり、1995年9月19日に同病院で亡くなった。^{[ 3 ]}

ペイエルスは1968年の女王誕生日叙勲でナイトの称号を授与された。^{[ 84 ]}彼は1952年にラザフォード記念メダル、^{[ 85 ]} 1959年にロイヤルメダル、^{[ 86 ]} 1962年にローレンツメダル、^{[ 87 ]} 1963年にマックス・プランクメダル、[ 88 ] ^1968年にガスリーメダルと賞、^{[ 3 ]} 1982年にマテウッチメダル、^{[ 89 ]}そして1980年には原子力科学への卓越した貢献に対して米国政府からエンリコ・フェルミ賞を授与された。 ^{[ 90 ]}

1986年にコプリー・メダルを授与され、ラザフォード記念講演を行った^{[ 91 ]} 。1991年にはディラック・メダルと賞を授与された^{[ 3 ]}。 2004年10月2日、オックスフォード大学の理論物理学部門が入居する建物は、正式にサー・ルドルフ・パイエルス理論物理学センターと命名された^{[ 92 ]}。

• キャビティ法
• パイエルス・ボゴリューボフの不等式
• パイエルス・ナバロポテンシャル
• ホフスタッターの蝶
• マーミン・ワーグナーの定理
• モット絶縁体

• 1979年、マーティン・シャーウィンによるルドルフ・パイエルス卿への音声インタビュー『マンハッタン計画の声』

• ロンドン国立肖像画美術館所蔵のルドルフ・パイエルスの肖像画
• ルドルフ・パイエルス自身の略歴（ロスアラモス国立研究所所蔵）は、Wayback MachineにPDFファイルとして保存されている（2012年9月26日アーカイブ）。
• 核時代の戦争と平和；ドーン；ルドルフ・パイエルスへのインタビュー、1986年
• ルドルフとユージニア・パイエルスに関するFBIファイル
• オコナー、ジョン・J.、ロバートソン、エドモンド・F.、「ルドルフ・パイエルス」、マックチューター数学史アーカイブ、セント・アンドリュース大学
• 数学系譜プロジェクトのルドルフ・パイエルス