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学問のすゝめ

量子力学の不思議

福田 礼次郎 (物理学科教授)

 20世紀に入って新たに発見され、構築された自然の基本的な物理法則は、相対性理論と量子力学です。粒子の速度が高速度に比べても引けを取らないくらい大きい時に、相対性理論を使わなければなりません。一方、原子、分子などのミクロな領域の現象に対しては、量子力学が成立します。両者とも現在まで、寸分の狂いもなく自然を正しく記述していることは、過去の理論計算と実験事実が保証しています。

 ところが、量子力学は常識と相容れない面を持っています。すべての粒子、たとえば電子は、「粒子であると同時に波である」と言うのです。確かに、あるときは粒子、またあるときは波のように振舞うことが確かめられています。野球のボールのように大きな物体になると、全体としては粒子物体としてニュートンの運動方程式で決められた軌道を描いて運動しますが、ボールを構成している原子、分子は電子が波であるために出来上がっているのです。皆さんの行動は多分ニュートン力学で説明できるでしょうが、自分の体を作っているミクロな原子、分子は量子力学に従っているのです。考えている対象がある程度大きくなると急にニュートン方程式が成立するように見えますが、この相反する側面を納得の行く形で説明できる人はまだいません。多くの研究者が、多くのアイデアを出している段階です。

 量子力学はその成り立ちからしてまことに不思議な理論であって、それが自然を完全に記述していること自体謎であると言っていいでしょう。この世の自然法則の不思議に思いをはせてみるのもよいと思います。難問に挑戦することは、其の先のもっと大きな基本法則を見つけることにつながっているはずです。

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