マックス・プランクの量子論

現代物理学の根底には、量子論というものがあります。 これは、原子や素粒子といった異なる原子レベルでのエネルギーや物質の振る舞いを説明するものです。

量子論の始まり

量子論が初めて一般に発表されたのは、1900年、マックス・プランクという物理学者でした。

この実験で彼は、エネルギーが物質と同じように個々の単位で存在すると仮定すれば、実験の当初の疑問に対する答えが得られることを発見しました。 エネルギーをこのように考えることは新しく、エネルギーを簡単に数値化することができた。 定量化できたエネルギーの単位は、プランクが実験について書いた文章やその後の数式の中で「量子」と名付けられました。

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量子論の基礎となった方程式は、ある温度では、光っている物体から放出されるエネルギーは、色のスペクトル(波長)の異なる領域に存在することを示しています。 プランクは当初、量子の発見によって新しい理論が生まれることを想像していましたが、実際には、人類の自然法則の理解を完全に塗り替えることになりました。

水素原子中の電子のエネルギーレベルごとの波動関数。 量子力学では、空間における粒子の正確な位置を予測することはできないが、異なる位置で見つかる確率だけは予測することができる。 出典はこちら。 出典:PoorLeno/Wikimedia

1918年、プランクは量子の発見と研究でノーベル賞を受賞しました。 しかし、プランクの研究が現代の量子論の基礎となった一方で、その前の数年間に数十人から数百人の科学者が働いて、プランクがちょうどその時点で発見できるように準備していたことに注意する必要があります。 年表をよく見ると、発見後に理論がどのように進展したかがわかります。

量子論発展の年表

1900年。 プランクは、エネルギーが量子と呼ばれる単位でできていることを最初に発見、というより仮定した。

1905年:アルバート・アインシュタインが、プランクが量子を理論化したのと同じように、エネルギーや放射線が定量化できることを理論化。

1924年。

1927年:ルイ・ド・ブロイが、エネルギーと粒子の間には違いがないという波動-粒子二重性理論を初めて提唱。

1927年:ヴェルナー・ハイゼンベルクは、ある素粒子の位置と運動量のように、2つの相補的な値を同時に測定することは不可能であると理論化した。 これは、従来の物理学とは全く異なるもので、不確定性原理として知られています。

さて、量子論開発の年表を見たところで、マックス・プランクとは一体どんな人物だったのかを見てみましょう。

マックス・プランクとは

1858年4月生まれのマックス・カール・エルンスト・ルートヴィヒ・プランクは、理論物理学者であり、量子論の創始者として1918年にノーベル物理学賞を受賞しました。 彼は生涯にわたって理論物理学の分野に大きな貢献をしましたが、量子論は彼の最大の功績です。

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プランクの手による量子論は、量子粒子とそのプロセスに関する我々の理解と概念に完全な革命をもたらしました。 それは、空間と時間の理解を変えたアルベール・アインシュタインの相対性理論の重力に匹敵するものと言えるでしょう。

机に向かうプランク博士。 出典はこちら。

量子論と相対性理論は、ともに1900年代の物理学のすべての基礎を例示し、研究者たちに身の回りの世界へのアプローチの仕方を再考させました。

プランクは1947年に89歳でドイツで亡くなりました。

量子論の解釈

量子論の主な解釈方法として、「コペンハーゲン解釈」と「多世界説」が知られている。 コペンハーゲン理論では、「粒子は測定されたものである」と考えます。 つまり、粒子を波として測定すれば、それは波であるということです。 ただし、測定するまで特定の性質を持っているとか、存在していると決めつけることはできないとしています。 これは、物理的な現実は観察するまで実際には存在しないということを主張する、とってつけたような方法です。 これは、ある粒子や物体が、その位置を知らない間、あるいは観察していない間に、同時にいくつもの可能性のある場所に存在することができる、という「重ね合わせ」の考えにつながります。

有名な「シュレディンガーの猫」の思考実験は、このような量子論の解釈を見事に体現しています。

多世界説または多元宇宙説です。 これは、ある物体が存在する可能性が発生した時点で、宇宙はその物体の両方の状態が存在する一連の平行宇宙に分裂するというものです。 この理論は、「リック・アンド・モーティ」などのテレビ番組や、人気のあるSFストーリーの基礎となっていますが、結局のところ、量子論の非常に現実的な解釈なのです。

スティーブン・ホーキングもリチャード・ファインマンも、多元宇宙論的な解釈のスタイルが好きだと表明しています。

結局のところ、量子論とプランクの研究は、この100年の間、物理学者や研究者の仕事に劇的な影響を与えてきました。 しかし、量子論の意味するところは、プランク自身がその時代に躊躇したように、少し気が遠くなるようなものです。 しかし、量子論の基本原理は、その後の実験で繰り返し証明され続けています。 物理学は次の世紀になってもいろいろと解明されていくでしょうが、マックス・プランクが築いた量子論の基礎は、これからも受け継がれていくことでしょう。

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