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[宇宙の不思議・いのちの不思議]  第12号


[宇宙の不思議・いのちの不思議]  第12号

第2章 ミクロの世界の不思議

[2-1] 量子論とは?

(1)原子より小さなミクロの世界を探求する物理学を「量子論」と呼んでいます。量子力学と呼ばれることもあります。量子とは、極微のツブ(かたまり)という意味あいです。原子以下の小さな粒子を量子と呼んでいます。原子や電子や素粒子などが量子です。
素粒子とは、それ以上分解できない粒子のことを言います。電子をさらに細かく分解することはできないので電子も素粒子のひとつです。

(2)量子論は、相対性理論と並んで、現代物理学の双璧といわれており、最重要な理論といってよいと思います。
相対性理論は、我々の感覚や常識から懸け離れたところがあって理解し難い理論ですが、量子論はさらに輪をかけて解かり難い理論です。ミクロの世界にはそれだけ不思議が満ちているということでもあります。
アインシュタインでさえ量子論について悩み続けたと言われています。したがってここでは超簡単にあらましだけを述べていきます。

(3)量子論には、柱になるいくつかの重要な理論があり、それらをまとめて「標準理論」と呼んでいます。本メールマガジンではその中身の説明は省略し、それらの結果を簡単にご紹介いたします。

(4)量子論によって、万物の根源が解き明かされつつあります。そして「物質」を構成する素粒子がいくつも発見されてきています。電子や光子もそれらの一つです。
また、物質の内部や、物質どうしの間に働く「力」の根源も解き明かされつつあります。電磁気力もその一つです。

(5)私たちが生活する上でのスケールは、長さでいえば、cm、m、kmで測れる長さが普通かと思います。重さでいえば、g、kg、ton などではないでようか。
私たちは、これら中程度のスケールの中で暮らし、そのスケールでの感覚と常識が積み重なって生きています。

(6)一方、宇宙を考える場合の距離のスケールは、桁外れに巨大なスケール「光年」が使われます。1光年は、光の速度で1年かかる距離、約9.46x10の15乗mです。15乗は、数字の後に0を15個付け足すことを意味します。
また、原子以下の小さなミクロの世界では、10のマイナス15乗mとかマイナス30乗mとか桁外れに小さな極微のスケールになってしまい、私たちの感覚と常識から懸け離れています。

(7)巨大スケールと中程度スケールの物理学では、相対性理論が使用され、極微スケールでは、量子論が使われます。なお、中程度のスケールでは、ニュートン力学が簡単で使い易いため、実用上誤差が気にならない範囲で多用されています。

(8)本来は、スケールによって理論を使い分けるのではなく、全てのスケールをカバーする「究極の理論」の構築が必要であり、現代物理学の大きな目標になっています。
なお、巨大スケールや中程度スケールにおいても、物質は全て原子や素粒子でできていますから、量子論は全てのスケールで成り立つ必要があります。

(9)原子の構造は、太陽と惑星の関係のように、中心の原子核の周囲を電子がくるくると周回しているイメージをお持ちの方が多いと思います。昔は学校でそのように習いました。しかし量子論の成果によると、電子は原子核の周囲に拡がる波であって、球状の雲のように拡がって振動しています。電子そのものを見ることはできません。
そしてその波を表す「波動方程式」を解くことによって原子や分子の性質や構造を正確に計算することができます。

(10)コンピュータやスマートフォンなどに不可欠な半導体などは量子論の成果を応用して著しく進歩してきました。
また、医薬品、化粧品、繊維など様々な化学製品の研究・解析・開発に量子論が大いに役立っています。膨大な費用をかけて沢山の数の実験をしなくても、量子論に基づいた計算から、様々な分子どうしがどのような反応を起こすのか予測できるようになってきました。

(11)量子論の原理を応用した「量子コンピュータ」の研究が行われています。実用化には時間がかかりますが、現在最先端のスーパーコンピューでも何億年もかかる計算をあっという間に解ける可能性があると言われています。


<注目!>

量子論の分野では日本人科学者が大活躍をしています。
量子論を切り拓いてきたといっても過言ではありません。
事実、この分野で多数のノーベル賞受賞者を輩出しています。
ノーベル物理学賞を受賞した科学者として、湯川秀樹博士、朝永振一郎博士、江崎玲於奈博士、小柴昌俊博士、南部陽一郎博士、小林誠博士、益川敏英博士などです。また福井謙一博士は、量子化学の分野でノーベル化学賞を受賞しています。もちろんノーベル賞受賞者以外にも多くの優秀な日本人研究者が世界中で活躍しています。


<補足>

原子の大きさは、1000万分の1mm程度です。その中の原子核の大きさは、その5桁下であり、1兆分の1mm程度です。なお電子の大きさは、さらに4桁下の大きさです。

原子を地球の大きさに例えると、原子核は東京ドーム程度、電子は野球のボール程度の大きさに相当します。実際には電子は見えません。電子の波が振動しながら地球サイズに拡がっています。原子の中はスカスカの状態であり、空間(原子の場)がほとんどを占めています。

スカスカな筈なのに石や金属に触ると固く感じるのは、物の表面の原子が反発するからです。原子の外側はマイナスの電気を帯びた電子の雲で覆われているので、お互いにマイナス電気で反発することによって跳ね返され固く感じると考えられています。
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by jiriki-tachikawa | 2014-06-05 07:30 | 不思議メールマガジン

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