量子論の世界
 
       
 
  電子や原子は、日常の感覚とはかけ離れた量子力学という物理法則の体系に従っています。 量子力学は20世紀初頭の二つの重要な発見から始まりました。それらは

(1) エネルギー量子の発見
(2) 波と粒子の二重性の発見

です。
 すべての物体はそれ以上分けられない基本的粒子から成り立っているわけですが、エネルギーもいくらでも小さくわけられるような連続量ではなく、エネルギーの単位ともいうべきエネルギー量子という量があり、実際のエネルギーはその整数倍で与えられるというのが、プランクの考えです。エネルギーに最小の量があるというのはちょっと不思議なことです。このエネルギー量子は非常に小さな量であるために、日常の生活には現われてきません。原子や分子のような微少な世界ではじめて顔を出します。
 電子はマイナスの電気量を持ったれっきとした粒子ですが、波としての性質も示します。これもとても不思議なことです。水面にできた波を見るとわかるのですが、二つに波があるとき、波の山の部分が重なると波は強くなり、山と谷の部分が重なると打ち消し合って弱くなります。これは干渉と呼ばれている現象ですが、電子もこれと同じ干渉効果を示すことが発見されました。このため、電子は粒子であるが波でもあると考えないわけにはいかなくなりました。量子力学的粒子はすべて粒子であると同時に波の性質も持っています。
 こんにちのエレクトロニクス技術においては量子、波の性質が本質的に重要となっています。半導体、トランジスタ、ダイオード、コンピューターなど日常生活でもなくてはならないものとなっていますが、これらは量子の世界の法則に従って動いています。今や技術の進歩はすばらしく、原子1個を操作することも可能になってきました。このような技術はナノテクノロジーとよばれています。電子1個をあやつることにより究極のコンピューターを作ろうという考えもあります。
 原子よりもミクロな世界もあります。クォークも含めたすべての量子力学的粒子を統一した理論で説明しようという試みが大統一理論です。我々の世界はスケールが異なる階層構造から成っていると見ることができます。面白いことに、各階層において類似の物理法則に従って物理現象が起きています。
 なお、波と粒子の二重性は場の量子化によって理解できます。場とは時空の各点ごとに値をもったもの、すなわち時空の関数です。波動方程式を満たすとすると、場は波の性質をもちます。この場を量子化すると粒子としての量子力学的粒子を記述することができます。今は絶版となっていますが、

 『量子力学の考え方』(伊藤大介著)(河出書房)

にやさしい解説があります。

 場の量子化のことを第二量子化ということがあります。第二量子化というからには第一量子化というものがあるわけですが、第一量子化という時は普通はシュレーディンガー方程式による量子化のことを意味します。シュレーディンガー方程式は要するに波動方程式ですから、シュレーディンガー方程式に基づく量子力学を波動力学と言うことがあります。実際、例えば、パウリの物理学講座は日本語訳では量子力学となっていますが、原題はWave mechanics(のドイツ語)です。波動力学の次の段階として場の量子化に進むわけですが、これは真の量子論と言うべきもので、その重要さは例えば朝永振一郎著『量子力学』のI巻とII巻のページ数を比べてみるとわかります。場の量子化を記述した第II巻の方が圧倒的に多くのページ数が費やされています。量子力学的粒子、例えば電子は波動関数で表わされますが、波動関数は時間と空間座標の関数であり、このような時空の関数を場とよぶことにします。相対性理論では時間と空間座標を同等に扱いますから、相対論的な量子力学を考えると必然的に場を考えることになります。場を量子化すると量子力学的粒子を記述できますが、シュレーディンガー方程式による波動力学との違いは、本質的に多数の電子を考える多体問題になっているということです。
 『光子の裁判』についての拙文もご覧ください。

 
 
  Condensed Matter Physics: Electronics Research Institute