【2時間で学ぶ物理学】ゼロから学ぶ物理学と量子力学／ニュートンがすごい本当の理由／なぜモノは机をすり抜けないか／「並行世界は存在する」といえるワケ…物理学者・野村泰紀 総集編【BLUE BACKS+】

要約

物理学者の野村泰紀氏が、量子力学に入る前提として古典力学から電磁気学までを歴史に沿って解説する講座の総集編。ニュートン力学、ファラデーの電場・磁場の考え方、マクスウェル方程式と電磁波・光の正体を扱う。

動画の内容

冒頭で、今年が量子力学誕生100周年にあたることから、野村泰紀氏が文系の司会者に向けて「ゼロから学ぶ量子力学」を講義する企画であることが紹介される。当初は最先端の話の予定だったが、基礎的な内容に変更された経緯が語られる。量子力学を知る意義については、地球が丸いことや宇宙の膨張と同様に、直接得をするわけではないが、携帯電話やテレビなど生活のあらゆる所で使われており、知らずに過ごすのはもったいないと説明される。歴史をたどる理由は、科学者たちがどうつまずき、どう考え方に至ったかを見る方が面白く、研究の実態にも近いからだとされる。\n\n量子とは何かについては、「量子は量子です」というのが最も正確な答えだと述べられる。エネルギーが飛び飛びの値を取るなど粒のような性質を示す一方、条件によっては波のようにも振る舞う。波でも粒でもなく、条件次第でどちらのようにも見えるもので、光も電子も原子も量子だとされる。既存の概念に当てはめようとすると不正確になるため、まず性質を調べ、状態が分かれば方程式で将来を計算できるというのが目標である。その式が最初に書かれたのが1925年で、そこから100年というわけである。\n\n量子力学の衝撃を理解するには、それまでの物理学を知る必要がある。19世紀には物理学は完成したと思われた時期もあり、それが覆されたことが衝撃だった。物理学が成り立つのは自然界に厳密なルールがあるからで、同じ条件なら同じことが起こる。そのルールを数式にすれば天才や職人でなくても計算でき、スペースシャトルを木星へ送ることもできる。これが物理学の目的だと説明される。\n\nニュートン力学では、ガリレイやケプラーらの後にニュートンが完成させた流れが語られる。リンゴの逸話の要点は、リンゴは落ちるのになぜ月は落ちてこないのかという問いである。力が働かなければ物体はまっすぐ進み続けるので、月は地球に引かれて落ち続けることで軌道が曲がり、地球の周りを回っている。リンゴと月に働く力が同じ重力の式で表せると分かり、天上と地上で別のルールがあるという考えが覆った。これが現代物理学の誕生とされる。運動の3法則として、力がなければ等速運動を続ける慣性の法則、力と加速度の関係を示す運動方程式、作用と反作用が挙げられる。初期の位置と速度が分かれば未来の運動が計算できる。作用反作用は、リンゴと地球、相撲取りと子供の例で説明される。\n\n次に、重力以外の力として電気と磁気が登場する。電荷にはプラスとマイナス、磁石にはNとSがあり、同じものは反発し異なるものは引き合う。ファラデーは、電荷の周りに「オーラ」のようなもの、すなわち電場が広がっていると考えた。磁石にも磁場があり、砂鉄の模様で可視化できる。電場と磁場の動きが分かれば力が分かり、運動方程式で動きを計算できる。その電場と磁場の振る舞いを式にまとめたのがマクスウェルで、19世紀のことである。\n\nマクスウェル方程式から、磁場が変化すれば電場が生じ、電場が変化すれば磁場が生じることが分かる。発電機は磁石の動きで電気を作る仕組みで、水力・風力・火力・原子力はいずれも何で回すかの違いにすぎない。逆に電流で磁石ができるのが電磁石である。この相互作用が続くと、電場と磁場が交互に生まれながら伝わる波、つまり電磁波の解が得られる。その速度などの性質を計算すると光の性質と完全に一致し、光の正体が電磁波だと分かった。\n\n電磁波は波長で区別され、人間の目に見える可視光はその一部にすぎない。波長の違いが色の違いで、短いほどエネルギーが高く紫、長い方は赤に見える。紫の外側が紫外線で、日焼けを起こす。さらに高エネルギーのものがX線で、骨の撮影に使われ、ガンマ線は放射線の一種である。赤の外側が赤外線で、分子を揺らして温度を上げ、さらに波長が長いものが電波で、リモコンや携帯、ラジオに使われる。物理学者はこれらをまとめて光と呼ぶことが多い。光が波か粒子かは昔から論争があり、ニュートンは粒子説、ホイヘンスは波動説だったが、電磁波の発見で波であることが確かになった。その先の波と粒子の問題が量子力学の核心であり、今回は入口までで終わり、続きは次回以降になる。

学べること

• 量子が「波とも粒とも言える振る舞いをするもの」であること
• ニュートンが天上と地上の法則を統一した意義
• 運動の3法則（慣性・運動方程式・作用反作用）の考え方
• ファラデーの電場・磁場の発想とマクスウェル方程式
• 光・色・電波・X線がすべて電磁波であること