【量子力学入門①】物理学が詰んだ日

19世紀の終わり、物理学者たちはかなり調子に乗っていた。

ニュートンが運動を、マクスウェルが電磁気を、それぞれ完璧な数式に閉じ込めてしまった後である。ボールの軌道も、光の進み方も、電気も磁気も、もう全部計算できる。当時のある高名な物理学者は「物理学に残っている仕事は、小数点以下の精度を上げることだけだ」と言い切ったとされている。

つまりこういうことだ。「物理学、完。あとは微調整。」

新人がやってくるたびに先輩が「もう新しい発見なんて出ないよ、地味な実験で消耗するだけだよ」と諭していた時代である。なんとも気の早い話だが、当人たちは本気だった。

その「微調整」のはずの場所に、とんでもない地雷が埋まっていた。

鉄を熱すると、赤くなる。もっと熱すると、白くなる。これは誰でも知っている。

ここで物理学者たちは、ある一つの問いを立てた。「熱いものから出る光は、色によって強さがどう違うのか」。赤い光はどれくらい、青い光はどれくらい、紫外線はどれくらい出ているのか。それを当時の物理理論できっちり計算してみた。

すると、おかしなことになった。色(振動数)を上げていくと、出てくる光のエネルギーがどんどん大きくなり、紫外線あたりで「無限大」という答えが出てきたのである。

つまり、計算上は「物体を熱すると、紫外線が無限のエネルギーで吹き出す」という話になってしまった。もしこれが本当なら、ストーブをつけた瞬間に部屋どころか家が消滅する。実際にはそんなことは起きない。ストーブは普通に暖かいだけで、誰も消滅しない。

理論は「無限大」と言い、現実は「いつもどおり」と言っている。この気まずい食い違いに、当時の物理学者たちは「紫外線破綻（後に『紫外線大惨事』とも呼ばれる）」という、いかにも深刻そうな名前をつけた。破綻という言葉を使うあたり、彼らも相当焦っていたのだと思う。完成したはずの物理学が、ストーブ一つで崩壊する寸前だったのだ。

ここに、マックス・プランクという、見た目はいかにも堅物そうなドイツの物理学者が現れる。

彼がやったことは、ある意味かなり荒っぽい力技だった。

「エネルギーというのは、実は滑らかに連続して出てくるものじゃなくて、ある最小単位の倍数でしか出てこないのでは?」

これだけである。

たとえて言うなら、それまでみんな「エネルギーは水のようなもので、コップに好きな量だけ注げる」と思っていた。プランクは「いや、エネルギーは1円玉みたいなもので、1枚、2枚、3枚としか数えられない。0.5枚という量は存在しない」と言い出したわけだ。

水だと思っていたものが、実は大量の硬貨だった。しかも一枚一枚があまりに小さいので、ふだんは水のようにサラサラ流れているように見えていただけ、という話である。

この「硬貨説」を計算に組み込んでみると、なんということか、あの恐ろしい「無限大」が消えてなくなった。理論と現実が、ようやく握手をしたのだ。

ストーブは消滅しないし、家も燃えない。少なくとも、この問題については物理学は救われた。

ところが、面白いのはここからである。

プランク本人は、この「硬貨」のアイデアをまったく信じていなかった。

彼にとってこれは、計算上どうしても必要だったから仕方なくひねり出した、いわば「数式の中だけで通用する裏技」のようなものだった。本気で「この世界のエネルギーは、本当に粒々になっている」とは思っていなかったのである。本人いわく「うまく説明はつくが、まさか本当にそうなっているとは思わない」というくらいの、慎重すぎる態度だった。

真面目な大人が、仕方なく荒唐無稽な仮説を立てて、計算がうまくいったら「いやでも実際にこんなことあるわけないよね」と一人で気まずくなっている。そういう光景を想像してもらえるとわかりやすい。

しかしこの「裏技」は、後に物理学全体を作り変える扉になった。プランク自身がノックしただけで、まだ開けていなかったその扉を、別の若者がこの数年後に思い切り開け放つことになる。その人物の名前は、アルベルト・アインシュタイン。

彼が何をしたのかは、次回の話にしよう。

ここで覚えておいてほしいのは、たった一つだけだ。

エネルギーは、どうやら水のように連続ではなく、硬貨のように飛び飛びなのかもしれない。

この一行のために、19世紀の物理学者たちが築き上げた「もう完成した」という自信は、静かに、しかし完全に崩れ始めていた。

次回
量子力学入門②
特許局の職員が、物理学の重鎮に一人で喧嘩を売った話