ゲルマニウムの電子バンド構造だって？ ふざけるな (2000)

 (archive.md)
1 ポイント 投稿者 GN⁺ 2023-08-07 | 2件のコメント | WhatsAppで共有
  • ゲルマニウムの抵抗が温度によって 指数関数的に変化するという通説 を真っ向から否定する風刺的な学部実験レポートで、実際の物理実験の形式を借りて挫折とシニシズムをそのままさらけ出している
  • 要旨では抵抗-温度の指数関係を 「真っ赤な嘘」 と断じ、装置の欠陥・教材の不備・時間の無駄を核心的な結論として言い切っている
  • 実験過程では ゲルマニウムのはんだ付けの難しさ、動かない装置、液体窒素のデュワー瓶の液漏れなど、環境的な制約が積み重なる
  • 測定データでは 指数関数的依存性がまったく観測されない にもかかわらず、ノイズの上に指数曲線を無理やり描き加えてもっともらしく見せている
  • 物理学専攻を人生最大の失敗だと規定し、CS（計算機科学）専攻 を選ぶべきだったという自虐で締めくくられる

要旨 (Abstract)

  • ゲルマニウムでは抵抗が温度に指数関数的に依存するという通説を 「真っ赤な嘘」 と断定
  • 理論的モデリングと過酷な実験の末に導かれた2つの結論: ① 装置がひどく粗悪で、関連教材も同様にお粗末、② この実験全体が 完全な時間の無駄

序論 (Introduction)

  • ゲルマニウム内の電子は、電荷キャリア密度が0の「禁制領域(forbidden regions)」 によって隔てられた明確なエネルギーバンドに閉じ込められている
  • 試料を加熱すると電子が 非伝導バンドから伝導バンドへ跳び移り、測定可能な抵抗変化が生じる
  • 温度-抵抗の指数関係は特定の温度区間で成り立つが、「1次近似(to first order)」 という言葉でごまかしながら導かれる式だと述べる
  • 関連教材は、非結合調和振動子ポテンシャルを任意個数だけ考えて極限を取るなど、難解で冗長 だと批判

実験手順 (Experiment procedure)

  • ゲルマニウム結晶箱の中から 最もひび割れが少なそうな結晶 を選択
  • Lab Handout 32 の figure 2b に示された位置に電線をはんだ付けしたが、ゲルマニウムのはんだ付けは極めて困難
    • はんだが付着せず、solid state 研究室の大学院生の助けも得られなかった
  • 裏から拾ってきた 二流の装置(second-rate equipment) がどれも動作しなかったため、設備の整った研究室から部品をこっそり持ち出して交換
    • 学部生に壊れた道具を渡しておきながら、なぜ結果が出ないのかわからないと文句を言うありさま
  • 温度制御のために結晶を 銅棒(copper rod) に取り付け、上端を加熱コイルに、下端を 液体窒素のデュワー瓶 に浸した
    • プロジェクト半ばでデュワー瓶が漏れ始め、四半期に1万ドル払っているのに5ドルのまともなデュワー瓶すら渡されない状況を皮肉る

結果 (Results)

  • 2週間かけて自ら測定した 「100%本物のデータ」（Fig. 1）を提示するが、期待された 指数関数的依存性はまったく見られない
  • データを「ゴミの山」と表現し、時間の無駄だったとこぼす
  • 採点者は図しか見ないだろうという期待のもと、ノイズの上に指数曲線を恣意的に描き加える
    • 複雑なコンピュータプログラムでフィッティングしてもっともらしさを強め、このやり方は top quark 発見に使われた過程 と同じだと皮肉る

結論 (Conclusion)

  • 物理学専攻を 人生最大の失敗 と規定
  • CS（計算機科学）専攻 を選ぶべきだったと自嘲し、そうしていても結局ガールフレンドはいなかっただろうが、少なくとも金はもっと稼げただろうと締めくくる

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2件のコメント

 
joyfui 2023-08-07

ゲルマニウムにおける電子バンド構造、私の尻 (2000)

尻だなんて…
 
GN⁺ 2023-08-07
Hacker News のコメント

  • 奇妙な偶然だけど、私も限られた予算とひどい機材で同じ実験をして、もっともらしいコンピュータアルゴリズムで最適なフィット値を求めたことがある。
    ただし結果は有効数字4桁まで得られ、古い教科書よりも改善された結果だった。
    激怒した筆者にとっては圧倒的な挫折が人生を決定づける経験になった一方で、同じ状況が私にとっては前向きに人生を決定づける経験になったというのは面白い。
    同じ条件でも物事がどう転ぶかは本当に予測しにくい。

    • 予算が厳しいことも、ときには良いことだ。電気電子工学は学部の授業よりも、壊れた計測機器の修理をしているときのほうが実用的に学べた。
      授業は理論に偏りすぎていて、実際にプロトタイプを作ると何も動かず、実験室の技術者たちでさえ理由が分からなかった。
      だから時間の大半を歩き回って、ほかの学生たちのよろよろした卒業プロジェクトを直すことに費やしていた。人生はそこから何を引き出すかにかかっている :)
    • それでも、何らかの形で私たちはみな同じ場所、つまり HN にたどり着くんだね :)
      私は実験の授業が本当に好きで、予測が目の前でぴたりと当たるのを見て初めて興味を持った。
      ただし、自分が何に飛び込むのかは分かっていないといけない。実験は途方もなく時間がかかるし、準備も必要だ。

  • かなり笑える。
    低温凝縮系実験を教えた立場から言うと、成績の大きな部分は、何が間違っているのかを見つけ、それを補正するか、少なくとも間違っていると認めることにある。
    学生は実験構成についてもっと情報を出すべきだった。どんな装置を使ったのか、4端子抵抗測定なのか2端子測定なのか、抵抗率なのか抵抗なのか、R_0 は何なのか、なぜ実験がうまくいかなかったと思うのか、といったことだ。
    私には、配線を間違えてノイズだけを測定していたように見える。

    • 学部実験の目的は結果を得ることではなく、実験室での働き方を学ぶことにあるのだと理解している。

  • 昔必修だった「上級実験物理学の実験学期」がまさにこれだった。1学期の間に、あの記事に出てくるレベルの互いにまったく異なる実験を14個ほどやらなければならず、機材は古くて実験中に壊れ、あまりやる気のない博士課程学生やポスドクがTAだった。
    14個の実験のうち、まともに動いて期待した結果が出たのは2つだけだった。
    この経験のおかげで、私はすぐに理論物理学と、閉じ込められた半導体における電子ダイナミクスおよび光と物質の相互作用のコンピュータシミュレーションへ進んだ。量子ドットやグラフェンのようなもので、面白かった。
    今はそれでは食べていけないので、医療機器ソフトウェア開発をしている。

    • 「実験中に壊れる古い機材」は学びの機会だと見ていた。どんな接着剤が極低温に耐えるのか、アンプのヒューズをどう交換するのか、もっと複雑な電子機器をどう応急修理するのか、借りられる機材を持っている人を知っていることがどれほど重要かを学んだ。
      研究室に資金が潤沢でないなら、こういうことは実験家にとって貴重なスキルだ。
      資金が潤沢でも、すてきな新機材を買うには最低8週間かかるが、廊下の先の適切な棚からこっそり持ってくるのは5分で済み、昼食前には結果を出せる。
      「あまりやる気のない博士課程学生やポスドクのTA」は、私が教えたどこでも残念ながら現実だった。
      同じ内容を1学期に14回教えるのは面白くないし、教えるのが好きで上手な人はそれを分かっているので、可能な講義、セミナー、チュートリアル、演習授業のようなものを担当する。毎週新しいことを教え、同じ学生たちとより長く一緒にいられるほうを選ぶのだ。
    • 物理学のカリキュラムがどう決まるのかよく分からない。時間が経つほど発見された物理はどんどん増えるのに、学ぶ時間は同じままだ。
      本当に何かをやるには、必要な数学と物理を学ぶのに4年では足りない。英作文、パーティー、失恋といった他の重要なことを除いてもそうだ。
    • 「実験中に壊れる古い機材」のほうが、むしろ実際の研究室の条件に近いのでは？
      飛行機で大気サンプリングをしていた NASA の科学者たちに会ったことがあるが、高価なサンプリング中に機材トラブルが起きたら自分たちで対処するために、機材と一緒に搭乗しなければならなかった。
      記憶が正しければ、ハワイからニュージーランドへ向かう改造747機だった。
    • 「1学期の間に、あの記事に出てくるレベルの互いにまったく異なる実験14個」だなんて、今でも残っている卒業失敗の悪夢は、その科目を終えられなかったという内容だ。私は実験家だったのにそうだった。
      「この経験のおかげですぐに理論物理学へ進んだ」というのも分かる。私のほとんど手に負えない論文実験を担当した夏季学生は、即座に理論へ転向した。
    • うわ、大学院出願まで1年も残っておらず、学部研究の経験もほぼ似た分野だけど、私は理論寄りが合っている。
      博士課程をやったのか気になる。やったなら、今ではそれだけの価値があったと思う？

  • 元の出典は Kovar, L. “Electron Band Structure In Germanium, My Ass.” Annals of Improbable Research, vol. 7, no. 3, May/June 2001, p. 4, https://web.archive.org/web/20010620051228/http://www.improb... だ。

  • この記事はおそらく1999年ごろに出たものだと思う。その後、筆者はコンピュータサイエンスの修士号と博士号を取得している。
    私も大学生活の終わりごろに似たような苦難と挫折を経験し、結局、実験家と技術スタッフに最大の敬意を抱いて去った。
    [0]https://pages.cs.wisc.edu/~kovar/cv.html

  • 私が学生だったころ、物理学科で出回っていたものの中で最も笑える文章の一つだった。2007年より古いのは確実で、記憶では1998年か1999年ごろだ。

  • 関連記事:
    Electron Band Structure in Germanium, My Ass - https://news.ycombinator.com/item?id=30690075 - 2022年3月、コメント1件
    Electron Band Structure in Germanium, My Ass (2001) - https://news.ycombinator.com/item?id=16360479 - 2018年2月、コメント38件
    Electron Band Structure In Germanium, My Ass - https://news.ycombinator.com/item?id=2513293 - 2011年5月、コメント97件

  • かなり笑えるが、ぞっとするほど本当らしく感じた箇所はこれだった:
    「物理学を選んだのは、私の人生最大の失敗だった。コンピュータサイエンスを専攻すべきだった。どうせ女性には縁がなかっただろうが、少なくとも金は転がり込んできただろうに。」
    学界の報酬がもっと良ければいいのに

    • 報酬だけが問題ではない。大学院生や、まだテニュアを得ていない教員にかかるプレッシャーも凄まじい
      「Prof. Hardass Slavedriver」が書いたとされるブラックユーモアの「A (de)motivational letter」が、それをよく要約している: https://lifesciencephdadventures.wordpress.com/2013/01/04/a-...

  • これが本当なら、彼はかなり高品質なノイズを測定したように見える
    抵抗率が5度の間で2倍に跳ね上がり、一定の温度でそのまま維持されるはずがない。本人の告白を基準にしても、そこがいちばん怪しい
    ちゃんとやると、こういう図になる
    https://pdfs.semanticscholar.org/3753/2b8a21825d66633f33684a...

  • 1990年代から2000年代初頭には、面白いWebサイトのリンクやコピペしたジョークでいっぱいのWord文書をメールで回し合っていた
    応用物理学の学位を途中で諦めた身として、この文章はお気に入りだった。続ける気持ちを折ってしまった「最後の一撃」のような光学実験の記憶があったからだ
    装置はひどく、私は世界でいちばん不器用な相棒と組まされた。3年次のインターンシップ学期で、彼は雇用主から完全に否定的な評価だけを受けた唯一の学生で、要約は「雇用不可」だった。おそらく火事も起こしたと思う
    光ファイバーケーブルの被覆を剥がしてレーザーの前に固定するたびに、宇宙全体が協力して、壊れやすいガラスコアを折ろうとしているように感じた
    ようやくすべてをアラインメントして喜んで測定したとき、私もまたノイズの間に線を引くという結果になった。実はまだこの記事を読み返してすらいないのだが、15年以上見ていなくても、その一文で大笑いした記憶は今も残っている