●量子力学(光は波か粒か)

 アインシュタインの曰く「光こそ、私にとっては最大の問題でした。光の正体は、まったく謎めいているのです。私は、76年の生涯を通して、光を考え続けました。光の速度の探究から相対性理論を、一方、光の実体の研究からは、光が粒であることを発見したのです。1922年、私へのノーベル賞は、相対性理論に対してではなく、光の粒の発見に対して与えられたのです。しかし、光の探究は、苦悩への道でもありました。」
 アインシュタイン-インフェルト共著『物理学はいかに創られたか』この本は、アインシュタインの数々の著作の中で最も幅広く読まれたものである。私たちは、この本の手引きで、物理学の成立から発展までをたどることができる。その中で、光はもっとも重要なテーマなのだ。
 アインシュタイン曰く「自然という大きな謎物語を読もうとするくわだては、人間の思想と同じくらい古くからありました。しかし、その謎物語を読むための方法を、科学者が持ったのは、今からわずか300年あまり前のことに過ぎません。その時代、つまり、ガリレイやニュートンの時代から、この物語を読む仕事は、急に進んできました。」
 「宇宙に描かれた巨大な書物、それは数学や幾何学の言葉で書かれている。これらの手段なしでは、人間は宇宙を理解できない」これは、ガリレイの言葉である。あやふやな人間の感覚、すなわち主観的なものと、確かな、そして客観的存在とを切り離すために、数学は、もっとも切れ味のよいナイフだった。
 この謎物語を解くために、数学を使って、近代科学の理想的な世界像を創り上げたのがニュートンだった。自然は、簡潔な方程式によって表現された。人間は未来の天体の位置も、正確に予言できるようになったのだ。かつて、神の恵みであり、知恵の証であった「光」にもニュートンは科学のメスを入れた。最大の問題は「光」の実体、「光は粒なのか波なのか」ということだった。ニュートンは、光を粒だと考えた。影の輪郭がくっきりとしているのは、まっすぐに進む光の粒が、物体にきれいに、さえぎられるからだというのだ。一方、「ニュートンの粒説」に対して、フランスのホイヘンスは、真っ向から異を唱えた。その理由の一つは、光は交差しても、飛び散らずに、互いに素通りしてしまうということであった。アインシュタインの『物理学はいかに創られたか』の中には、粒説を主張するニュートンと、波だとするホイヘンスの架空討論が繰り広げられている。フランス王立科学アカデミーの会員、ホイヘンスは、当時、ニュートンとならび称されるほどの科学者であった。ニュートンは、あくまでも、影という現象から、ホイヘンスの波説に反論する。

ニュートンとホイヘンス

ニュートンとホイヘンス

 ニュートン:もし、光が波だとすれば、影という現象をどう説明しますか? 波が小舟に向かっていく場合を考えて下さい。波は、小舟の後ろに簡単に回り込んでしまいます。波は小舟に影を作りません。光も同様です。もし、光が波ならば、影はできません。
 ホイヘンス:ニュートンには承伏できません。問題は波の大きさです。大きな船の側面に突き当たる波を、考えてご覧なさい。波は、逆の側面では、まったく見られません。もし、波が小さく、船が大きければ、はっきりとした船の影が見えるのです。光でも同じことが起きています。光が影を作るのは、その物体に対して、光の波が小さすぎるからに他なりません。光は波なのです。
 ニュートン:しかし波は、それを伝える何かが必要です。川の波には水、音には空気が必要なように。光の波は、いったい何を伝わるのですか。

 はたして、光は粒なのか波なのか。謎物語は深まる。
 19世紀に入って、光の性質を巡る画期的な実験が行われた。「波の干渉」の実験である。「波の干渉」とは、二つの隙間を通った波は、山の部分が互いに強め合い、谷は弱め合い、独自の縞模様を描き出す現象である。粒には決して現れない現象なのだ。

波のかんしょう

 イギリスのヤングは、この「波の干渉」という現象が光にも現れるかどうかを実験した。その結果、光にも「波の干渉」の現象は現れた。
 光は粒なのか波なのか。19世紀の末に、その論争に終止符を打つような決定的な証拠が、別の研究から現れた。秒速30万km。真空も伝わる波「電磁波」の発見であった。電磁波とは、電気の波、そして、磁気の波が、互いに垂直に交わって、空間を伝わる波のことである。

電磁波

 この波の性質は、すべての点で、光と一致した。イギリスのマックスウェルによる発見だった。電磁波には波の長さ:波長の違う数々の波がある。実は、人間が光として感じているものは、電磁波の一部だったのだ。人間が見る光の色の違いも、波長の違いで起こる。最も長い波長は赤、短い波長は紫である(可視光)。この目に見える波長の両側には、目に見えない様々な波長の世界が広がる(紫より波長が短い紫外線、X線、ガンマ線。赤より波長が長い赤外線、電波)。こうして光は、電磁波の一種、波であると位置づけられたのだった。
 さて、これで、光の謎物語は、完結したのだろうか。いや、この物語は、さらに意外な方向に発展していく。
 『物理学はいかに創られたか』の「光量子」と名付けられた章から、光の謎は、さらに深まっていく。光を「粒か波か」と論じた科学とは、まったく異なった次元に、20世紀の科学は乗り出すのであった。そのきっかけは、1905年、アインシュタインが発表した「光の発生と変換」に関しての論文であった。そこに提出した彼の仮説は、まことに奇妙な結果をもたらすものだった。
 私たちは、身近な生活の中で、光を電気信号に変える仕組みを利用している。たとえば、照明の強さを測る露出計やテレビカメラが、この仕組みを生かしたものである。光を金属に当てると、金属の表面から電子が飛び出す現象 --- これを「光電効果」と呼ぶ。光電効果では、光を強くすればするほど、強さに比例して、金属から飛び出す電子の数が多くなる。この単純な現象が問題であった。1887年に、光電効果が発見されて以来、数多くの科学者が、光を波と考えて説明を試みたが、どうしても、この現象を解き明かせなかった。
 この光電効果を考えるヒントとして、金属を太鼓に置き換えてみる。太鼓をたたくと、音が波として伝わる。光が波だとするなら、音の波と同じ現象を示すはずである。いま太鼓を縦にして、太鼓の上にピンポン玉を可能な限り敷き詰めて置く。太鼓を下からたたく。すると、太鼓の下の皮から音の波が上の皮に伝わり、太鼓の上にあるピンポン玉が飛び上がる。その時、太鼓を強くたたいても、弱くたたいても太鼓の皮から飛び上がる玉の数、つまり電子の数は、いつも一定で変わらない。つまり、光を強くすると、飛び出す電子の数が増える現象を、波では説明できない。一方、光をスティックのようなものと考えるとどうだろう。ピンポン玉がのった太鼓の皮を、下からスティックでつつく。スティックの数を増やせば増やすほど、太鼓の皮から飛び上がる玉の数は増えていく。スティックの数を光の強さと考えると、光電効果の現象と完全に一致する。スティックの先のように、限られた場所に当たり、数を変えることができるもの。それは、まさに粒の性質である(アインシュタインの光量子仮説参照のこと)。

こうりょうし

 アインシュタインは、光の粒を「光量子」と呼んだ。しかし、完全に証明されたはずの、光の波としての性質は、どこへ消えていったのだろうか。波説の決め手となったヤングの実験(波の干渉の実験)を光の粒一個ずつで行ったどうなるか。「光の粒による干渉実験(浜松ホトニクス中央研究所による:下の写真)」では、光の粒は、しばらくは、雑然とした模様を描いていたが、時間が経つと干渉の縞模様を浮かび上がらせた(a->b->c->d)。干渉し合うはずのない一つずつの粒が、多数集まると、波特有の現象を示したのである。光は、粒と波の性質を、ともに持つとしか考えようがない。粒:一つが、ここにあれば、他にはないもの。波:広がりを持ち、一つの場所には限定できないもの。まったく相反する性質が、どうして同居できるのであろうか。

かんしょうのしまもよう

 アインシュタイン曰く「光について、私はニュートン流の粒的な見方に帰ったのです。しかし、波とする理論の正しさも認めなければなりません。物理学の次の発展段階として、光を粒と波の異種融合したようなものとして解釈しなければならないのです。」
 アインシュタインの解いた謎は、さらに深い謎への入り口だった。粒と波とを併せ持つイメージ --- 私たちは、単純に、波のように振動する粒を考える。しかし、それでは、波の干渉模様は現れない。私たちの日常の感覚では解けない粒と波の二重性!
 光の粒「光量子」の発見から、4年後の1909年、アインシュタインは、粒と波の融合のモデルの一つを示している。エネルギーが、波の性質を持って、輪のように広がり、その頂点にあるのが、粒の性質を持つ「特殊な点」であるという考え方である。しかし、この「特殊な点」には、物理法則があてはまらず、アインシュタインは、このモデルを棄てざるを得なかった。
 光が粒であり、かつ波であるという根本的な矛盾を意識しながら、現在の理論物理学は進んでいかなければならない。近代科学が目的としているのは、この世界を矛盾なしに理論立て説明することであった。つまり、近代科学において、このような矛盾が存在することは、ゆゆしきことなのであった。なぜなら、この矛盾を受け入れることで、自然科学は、そのもっとも基礎となることを、捨てなければならなくなるかも知れないからであった。一つの矛盾を受け入れることで、他の矛盾も受け入れなければならなくなるかも知れなかった。そこから到達する世界像は、今までのものとはまったく違うものになるかも知れないのであった。(アインシュタイン・ロマン NHKエンタープライズ 1991年より)

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