【量子力学入門②】特許局の職員が、物理学界の重鎮に一人で喧嘩を売った話
【前回までの記事】
①物理学が詰んだ日
前回、マックス・プランクという慎重な物理学者が、「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」という仮説を出した、という話をした。
ただし、これはあくまで「計算がうまくいくから仕方なく使う裏技」だった。プランク本人は、これが世界の本当の姿だとはまったく思っていなかった。いわば、借金を帳消しにするための裏ワザを思いついたものの、「こんな方法、本当に合法なわけないよな……」と一人でビクビクしている状態である。
その裏ワザを、堂々と日の下に引っ張り出して「いや、これ普通に合法ですよ」と言い切ってしまった男がいた。
アルベルト・アインシュタイン。当時26歳、特許局の職員である。
彼が手をつけたのは、プランクの問題とは別の、もう一つの奇妙な現象だった。「光電効果」と呼ばれるものである。
金属に光を当てると、表面から電子が飛び出してくる。これ自体はそこまで不思議な話ではない。光にはエネルギーがあるのだから、それを電子に渡せば電子が飛び出すのは、まあ理解できる。
おかしいのは、その「飛び出し方」だった。
当時の常識(光は波である、という考え方)に従えば、光を強くすればするほど、電子はより勢いよく飛び出すはずだった。雨が強くなれば、地面の水しぶきも激しく跳ねる。これと同じ理屈である。光という「波」のエネルギーを大きくすれば、電子に渡るエネルギーも大きくなる。誰もそう考えていた。
ところが実験結果は、その期待を完全に裏切った。
光をどれだけ強くしても、飛び出してくる電子一個あたりの勢いは、まったく変わらなかったのである。強い光を当てると、飛び出す電子の「数」は増える。だが、一個一個の電子の勢いそのものは、ピクリとも動かない。
代わりに電子の勢いを変えたのは、光の「色」だった。赤い光をどれだけ強くしても、電子は弱々しくしか飛び出さない。ところが紫色の光を当てると、たとえ弱い光であっても、電子は勢いよく飛び出してくる。
雨で言うなら、「雨を強くしても、一粒一粒の水しぶきの勢いは変わらず、ただ水しぶきの数だけが増える」という、訳のわからない雨が降っていたようなものだ。雨の代わりに、もし誰かが空から一円玉や十円玉を降らせていたとしたら、話は変わってくる。一円玉がどれだけ沢山降ってきても、当たったときの衝撃は一円玉一枚分のままだ。衝撃を強くしたいなら、一円玉の代わりに十円玉、百円玉を降らせるしかない。
これこそが、アインシュタインの見立てだった。
光は、連続的な波としてエネルギーを運んでいるのではない。光そのものが、無数の「粒」の集まりであり、その一粒一粒には、色によって決まった大きさのエネルギーが入っている。
光を強くするというのは、光の粒の「数」を増やすことに過ぎない。一円玉を百枚降らせても、百万枚降らせても、一枚が当たったときの衝撃は変わらない。だから電子の勢いは変わらず、ただ飛び出す電子の数が増えるだけだ。
逆に光の色を変えるというのは、一粒あたりのエネルギーそのものを変えることに等しい。一円玉ではなく百円玉を降らせれば、当然、当たったときの衝撃は大きくなる。紫色の光は、赤い光よりも一粒あたりのエネルギーが大きい。だから電子も勢いよく飛び出す。
そしてここで、前回の「硬貨」が思い出されることになる。
アインシュタインが使った理屈は、プランクが「仕方なく」持ち出した、あの飛び飛びのエネルギーの考え方と、ほとんど同じものだった。ただしアインシュタインは、これを単なる計算上の裏技として扱わなかった。彼は「光は、本当にこの硬貨のような粒の集まりとして、世界に存在しているのだ」と、正面から言い切ったのである。
後に人々は、その粒を「光子」と呼ぶようになる。
プランクが恐る恐る開けた扉を、アインシュタインは大きく開け放ってしまった。
ちなみに、後年プランク自身は、若いアインシュタインを高く評価しつつも、この光量子という考え方には長らく懐疑的だったという、なんとも気まずいエピソードが残っている。扉を作った人が、扉の向こうの景色を一番信じていなかったわけだ。
さて、ここで一つ、厄介な問題が残る。
光が波であることは、回折や干渉といった現象によって、何度も確認されてきた、揺るがない事実だった。なのに今、光は粒でもあるらしい。
波であることは確かで、粒であることも確かで、しかしその両方が同時に成り立つ姿を、誰もまともに想像できない。
光は、いったい何者なのか。
そしてさらに厄介なことに、次は電子まで同じことを始める。
その答えのなさそうな問いに、物理学者たちが本気で頭を抱え始めるのは、ここからである。
次回
③壁に開けた二つの穴が、物理学者を発狂させた話
