日常生活の中で、私たちは世界の仕組みを直感的に理解しています。 グラスを落とせば床に叩きつけられる。 ワゴンを押せば転がる。 壁に向かって歩けば、その中を通り抜けることはできない。 重力があればものは地面に落ち、何かを押せば動く、2つのものが同時に同じ場所を占めることはできない、などなど。

世紀初頭、科学者たちは、このような基本的な法則は自然界のすべてに当てはまるはずだと考えていました–しかし、彼らは超小型の世界を研究し始めたのです。 原子、電子、光の波、どれも通常の規則には当てはまらない。 ニールス・ボーアやアルバート・アインシュタインのような物理学者たちは、粒子の研究を始めると、まったく風変わりな物理法則を新たに発見したのです。 これが量子力学の法則で、その名前はマックス・プランクの研究に由来しています。

「絶望的な行為」

1900年、マックス・プランクはベルリンの物理学者で、「紫外線のカタストロフィー」と呼ばれるものを研究していました。 その問題とは、物理法則では、光が外に出ないように箱を温めれば（「ブラックボックス」と呼ばれる）、無限に紫外線が発生するはずだと予測されていたのです。 しかし、実際には、金属を熱したときと同じように、赤、青、白とさまざまな色が放射されましたが、無限に放射されるわけではありません。 でも、無限にあるわけではないんです。 これらの物理法則は、箱の外で光がどのように振舞うかを完全に記述していたのですが、なぜこのブラックボックスのシナリオを正確に記述しなかったのでしょうか？

プランクは数学的なトリックを試みました。 彼は、光は誰もが想定するような連続的な波ではなく、おそらく特定の量、つまり「量子」だけのエネルギーで存在しうると仮定したのである。 プランクは、これが光について真実であるとは思っていませんでした。事実、彼は後にこの数学的仕掛けを “自暴自棄の行為 “と呼んでいます。 しかし、この調整により、方程式は箱の放射を正確に記述することができるようになったのです。

これが何を意味するのか、皆が納得するまでしばらくかかりましたが、最終的にアルバート・アインシュタインはプランクの方程式を、光は電子や陽子と同じように個別の粒子として考えることができる、と解釈したのです。 1926年、バークレー校の物理学者ギルバート・ルイスは、これを光子と名付けた。

Quanta, quanta everywhere

粒子は特定の大きさのエネルギーの塊しか含まないというこの考え方は、物理学の他の分野でも展開されました。 次の 10 年間で、ニールス・ボーアは、原子がどのように機能するかの説明にこの考えを取り入れました。 彼は、原子核の周りを回る電子は、任意に小さいエネルギーや任意に大きいエネルギーを持つことはできず、標準的な「量子」の倍数のエネルギーしか持つことができないと言ったのです。

やがて科学者たちは、電子軌道のエネルギーが異なる原子は電気の伝わり方が異なるので、電気を通す物質と通さない物質があるのはこのためだと気づきました。 トランジスタの核となる結晶は、導電性の異なる材料を混ぜて作られているので、この理解はトランジスタを作る上で非常に重要だった。

しかし電子は波動でもある

ここで、量子力学の奇妙な点の1つを紹介しましょう。 実際、多くの実験では、光は粒子というより波のように振る舞います。

この波の性質は、いくつかの興味深い効果を生み出します。 たとえば、原子核のまわりを回る電子が波のようにふるまうと、ある時点での位置があいまいになります。 具体的な点ではなく、電子は空間に散らばっているのです。 このため、電子は必ずしも思い通りに動いてはくれない。 ホースで一方向に流れる水とは異なり、電流として流れる電子は、特に物質の表面近くを移動する場合、時に奇妙な経路をたどることがある。 また、波のように振る舞う電子は、時には障壁を突き破ってしまうこともある。 このような電子の奇妙な振る舞いを理解することは、最初のトランジスタを通過する電流を制御しようとする科学者にとって必要なことであった。

では、粒子と波、どちらなのでしょうか？

科学者は量子力学を、光子や電子のような小さな物質は粒子であり波動であると解釈しています。 見方や実験の種類によっては、どちらでもあり得ます。 実際、光子や電子は粒子でも波でもないと言った方が正確かもしれません。誰かが見たり実験をしたりする瞬間までは未定義なので、粒子か波のどちらかにならざるを得ないのです。

これには他の副作用もあって、粒子のいくつかの性質がうまく定義されていないのです。 たとえば、ウェルナー・ハイゼンベルクの理論に「不確定性原理」というのがあります。 これは、ある粒子の速度と位置を測定しようとするとき、その両方を正確に測定することはできないというものです。 速度を注意深く測定しても、位置はほとんど測定できないのです。 これは、単に測定器が足りないということではなく、もっと根本的な問題なのだ。 もし速度が十分に確立されていれば、確立された位置は存在しないし（電子は波のように広がっている）、その逆もまた然りなのです。

アルベルト・アインシュタインはこの考えを嫌った。 物理法則にはそのような曖昧さの余地があるという考え方に直面したとき、彼はこう宣言した。 “神は宇宙とサイコロを振ったりしない “と。 しかし、今日、ほとんどの物理学者が、量子力学の法則は素粒子の世界を正確に記述していると受け止めている。 そして、バーディーン、ブラッテン、ショックレーの3人がトランジスタを発明したのも、この新しい法則を徹底的に理解するためだったことは確かだ。

参考文献。
— 怪奇現象はどこへ行くのか？ Why Quantum Mechanics is Strange, But not as Strange as You Think, David Lindley
— 量子力学って何だろう？ A Physics Adventure, Transnational College of LEX
— The Handy Physics Answer Book, P. Erik Gundersen
— Albert Einstein exhibit at the American Institute of Physics
— Heisenberg exhibit at the American Institute of Physics

…