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科学コラム  作者: もりを
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豆知識 不確定性原理

「エネルギーの量って、ブロックになってんじゃね?」ってのが、量子って考え方のはじまり。

水をコップに汲むとき、水はなめらかなひとつながりに見えるよね。

だけど顕微鏡レベルで観察すると、実は水分子という微細なブロックに分かれてて、つまりバラバラで不連続だ。

だったら、熱とかつまりエネルギーなんかにも最小単位があって、小さなブロック(量・・・つまり量子)に分かれてるのでは?ってこと。

熱って、分子の震えのことだよね。

観察すると、この震え方にもユニットがあって、1震え、2震え、3震え・・・と熱さのレベルが上がるにしたがって、震えの振れ幅が「最小単位の整数倍」で大きくなっていくんだ。

だとしたら、1震えと2震えの中間では、分子はどんな震え方になるわけ?

なんとなんと、1と2の中間には1コンマ5なんて震え方はなく、不連続に1の震え方から2の震え方にいきなりジャンプする。

秒針が淀みなく進むアナログ時計みたいじゃなく、「1」からぴょんと「2」に飛ぶデジタル時計式に、次の瞬間にはまったく別レベルの「震え量」になるんだ。

熱の上昇とは、この震え量のわんこそば的積み重ねなんであって、一杯目のそばと二杯目のそばとの間になめらかなつながりはない。

「波って、粒みたいな振る舞いをするんだね!」ってことだ。

すると、「だったら粒だって波みたいな振る舞いをするんじゃね?」なんて言うやつが出てきて、量子力学がはじまった。

震えというのは、要するに「分子」が波打ってる、ってことだ。

その肝心の「分子」「素粒子」なる物質までが波・・・すなわち、震えそのものだとしたら・・・?

世界が「波みたいな粒」にして「粒みたいな波」って事実に集約できちゃうよね。

例えば、電子という物質がある。

電子は原子(物質)を構成するパーツで、れっきとした形ある粒だけど、ひとまずこれを「波」としようじゃないの。

波ってのは、要するに「〜〜〜」こんなやつだよ、ビヨンビヨンと山谷の高低差があるライン、ね。

これを電子とする。

原子核※1を回る電子は、おなじみの原子モデルでは、土星の輪のようにまん丸の軌道を取る。

光速近くですっ飛ぶ電子(−電荷)が、どっしりと構える原子核(+電荷)の引力圏に捕らえられて、周回を開始するわけだ。

だけど電子が「〜〜〜」←これだとしたら?

電子が原子核の周囲を回ると、軌道に山谷のあるコンペイトウみたいな形になる。

問題(そして面白いの)はここからだ。

波の山谷は、複数の波が重なると干渉を起こす。

つまり山と山(谷と谷)が重なると、振れ幅は山谷の振れ幅を足した「へへへ」に増幅されるんだ。

一方で、山と谷が重なると、波同士は打ち消し合って振れ幅が小さく(山が低く)なり、なんならフラット「ーーー」になってしまう。

原子核をめぐる電子は、同じ軌道を果てしなく周回するので、自身の波が何度も重なり合う。

この際に、でたらめに回ると波が打ち消されてしまうけど、なんと電子は安定を求めて、きちんと波長の整数倍・・・つまり、一周ごとに山のピークとピークとをぴたり合わせて周回するんだ。

すると、波の山は果てしなく増幅される。

周回する電子の波の振れ幅が、どんどんと高まっていくんだ。

コンペイトウの凸凹の突端が、まるでウニのように高く鋭く尖っていくイメージかな?

この運動量エネルギーの一点集中は、時空間上の電荷と重力の関係まで絡んで、われわれ人類には「質量」として感知される(E=mc2)。

波(〜〜〜)を一箇所に固めて、強めて、粒(*)のいっちょう上がりだ。

この波と粒との相補性を「不確定性原理」と言い、波高の高さに示される存在確率を「波動関数」と言うんだよ。


※1 原子核が波でできてることは、以前に説明した。よって、原子のパーツすべてが波でできてるという仮説が成り立ちそうだ。

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