古典物理学の限界から量子力学へ

古典物理学が最強だった時代

1800〜1890年ごろまでの物理学は、

✔︎ ニュートン力学（力・運動の法則）

✔︎ マクスウェルの電磁気学（光や電磁波の法則）

が完成していて、多くの物理学者はこう思っていました。

「もう自然界の法則はほとんど解明された。

あとは細かいところを埋めるだけだ」

つまり、

物体の動きも

光も

電気も磁気も

すべて数式できれいに説明できるはずだ

という「完成感」があったわけです。

しかし・・・「説明できない現象」が見つかり始める

このほぼ完成したはずの物理論では説明できない現象が、

ポロポロと見つかってきます。

代表例がこの3つ

1. 黒体放射（こくたいほうしゃ）の 紫外線崩壊問題

2. 光電効果（こうでんこうか）

3. 原子スペクトル（原子が出す特定の色の光）

1つずつ、「そもそも何の話？」というところから説明します。

1.黒体放射の紫外線崩壊問題とは？

● 黒体放射ってなに？

黒い物体のことではありません。

「熱いものが出す光」のことです。

✔︎ 真っ赤に熱した鉄

✔︎ 電球のフィラメント

✔︎ コンロの赤く光る部分

これらは、温度が高くなると

赤→オレンジ→黄色→白っぽく、と光の色や強さが変わります。

「温度ごとに、どんな波長（色）の光がどれくらい出るのか？」

これを理論的に説明しようとしたのが黒体放射の問題です。

古典物理で計算するとどうなったか？

当時の物理学（マクスウェルの電磁気学＋統計力学）を使って計算すると、

• 短い波長（＝紫外線やもっと短い波長）になるほど

→ エネルギーが無限大に増えてしまう

というおかしな結果になりました。

でも、現実の世界では

✔︎ 紫外線やそれより短い波長で

エネルギーが「無限大」になるなんてことは起こらない

わけです。

この「計算では無限、現実では有限」という矛盾が

紫外線崩壊（ultraviolet catastrophe）と呼ばれます。

古典物理のまま計算すると、

熱い物体は短い波長の光を無限に出す、という

現実とはまったく違う答えになってしまった。

→「これは理論の側に根本的な間違いがあるのでは？」

という不信感が生まれます。

ここをきっかけに、プランクが

「エネルギーは連続ではなく飛び飛びの量子でしか存在できない」

という、量子説を出していきます（これが量子力学のスタート）。

2.光電効果「光を当てると電子が飛び出す」不思議

金属の板に光を当てると、

その金属から電子がピョンと飛び出してくる現象があります。

これを光電効果と言います。

イメージとしては

① 金属の中には電子がたくさん詰まっている

② そこに光を当てると、光のエネルギーを受け取った電子が

金属の外に飛び出す

というイメージ。

● 古典物理学の考え方だと、こうなるはず・・・

当時の常識は、

光は「電磁波」という波」であり、エネルギーは「波の強さ」に比例する

と考えられていました。

だから古典物理では、こう予想されます。

✔︎ 光が弱くても「長く当てれば」電子は飛び出すはず

✔︎ 明るさ（光の強さ）を強くすれば、より多くの電子が飛び出すはず

✔︎ 光の色（周波数）はあまり関係ないはず（エネルギー＝強さで決まるから）

● でも実験すると、現実は全然ちがった！

実験結果はこうでした。

✔︎ いくら暗い光でも、「ある色（周波数）」以上だと、

当てた瞬間に電子が飛び出す

✔︎ 逆に、どれだけ明るく強い光でも、

色（周波数）が低いと、永遠に電子は飛び出さない

✔︎ 電子がどれだけ勢いよく飛び出すかは、

「光の強さ」ではなく「光の色（周波数）」で決まる

つまり、

「どれだけ強い光か」ではなく、「どの色の光か」が決定的に重要

という、古典物理学では説明できない結果になりました。

● ここから出てきた結論

アインシュタインはここから、

光は連続した波ではなく、

「光量子（フォトン）」という粒の集まりであり、

その1個1個がエネルギーを持っている

と考えました。

✔︎ 光のエネルギー ＝ hν（νニュー：周波数）（周波数に比例）

✔︎ 明るさ（強さ）は、「粒子の数」の多さ

という量子的な考え方を導入することで、

光電効果がきれいに説明できるようになります。

3.原子スペクトル「原子は決まった色の光しか出さない」

水素などの原子にエネルギー（熱したり、放電したり）を与えると、

その原子は光を出します。

その光をプリズムなどで分解すると、

✔︎ 虹のような連続した色の帯ではなく

✔︎ 細い線がいくつも並んだ線スペクトル

として現れます。

たとえば水素原子なら、水素専用の「線の並び方」があり、

その並び方はいつも同じです。

● ここが「古典物理論ではお手上げ」のポイント

古典物理で素直に考えると、

✔︎ 電子は原子核のまわりを自由に回っている

✔︎ 回っている電荷（電子）は、エネルギーを連続的に放出する

→ 出てくる光のエネルギー（＝色）も連続的になるはず

　＝虹のようなスペクトルになるはず

でも現実は、

決まった色（波長）のところだけ

ピンポイントで光が出ている

つまり、

「なぜ電子は連続的にどこでも動けず、

特定の状態（エネルギー）にしか存在できないのか？」

という謎が生まれたわけです。

この謎を最初にうまく説明したのが、

ボーアの量子化された原子モデル（ボーア原子模型）です。

この3つの現象

1. 黒体放射の紫外線崩壊

2. 光電効果

3. 原子スペクトル

は、それぞれ別々の話に聞こえるけれど、共通しているのは

「エネルギーは連続ではなく、飛び飛びの値（量子）をとっている！」

と考えないと説明できない

という点です。

つまり、

✔︎ 物質も光も、連続した、なめらかな世界ではなく

✔︎ 「量子」という小さな単位でジャンプする世界

として理解し直さないといけない。

ここから、世界が今関心を持っている

量子力学・量子意識・情報フィールドへと

時代が大きくカーブしていきます。