第06章 · 科学

量子と大論争

ここにアインシュタインの生涯の大きな皮肉がある。彼は量子論の創始者の一人であり——それが彼にノーベル賞をもたらした——にもかかわらず、それが明らかにした奇妙で確率的な世界を、ついに受け入れられなかった。三十年にわたり彼はそれと論争し、ほとんどの論戦に敗れた。だが彼の異議はあまりに深く、いまなお物理学を形づくっている。

光を「粒」にした男

1905年の光電効果の論文で、アインシュタインは、光がなめらかな波ではなく、離散的なエネルギーの塊の流れ——量子、のちに光子と呼ばれる——であると提唱した。各光子のエネルギーは、光の振動数（その色）だけで決まり、明るさにはよらない：E = hf。

これは、どんな波動論も説けなかった謎を説明した——なぜ弱い青い光は金属から電子をたたき出せるのに、明るい赤い光はできないのか。彼自身の言葉で「きわめて革命的」であり——1921年のノーベル賞を彼にもたらした。

出典：
  1. ウィキペディア：光電効果。
  2. ウィキペディア：光子。

自分で試してみよう

光電効果

金属に光を当ててみよう。ある振動数より下では、どれほど明るくても何も起きない。それより上では、電子が即座に飛び出す。色を赤から紫外へとスライドして、しきい値を見つけよう。

あなたの予想

光はすでにしきい値を超えていて、電子が飛び出しています。ここで1秒あたりの光量子の数は変えずに、光をもっと青く、つまり振動数を高くします。電子はどう変わるでしょう？

インタラクティブ · 量子物理

光 対 電子

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たたき出された電子の運動エネルギー： 0 eV

ここでのしきい値は、ナトリウムに近い金属（仕事関数 ≈ 2.3 eV）に合わせてある。明るさは計算にいっさい現れない——電子が逃げ出すかどうかを決めるのは振動数だけだ。これが量子の驚きである。

答え

B電子1個1個が、より大きなエネルギーで飛び出す。

光は粒に分かれてやってきます。これが光子で、光子1個のエネルギーは振動数だけで決まります。青い光ほど光子のエネルギーが大きく、電子を引きはがしたあとに残った分を、電子が運動のエネルギーとして持ち去ります。一方、飛び出す電子の数は1秒あたりの光子の数で決まります（同じ色なら明るさで決まります）。しきい値より下では、光を明るくしても役に立ちません。アインシュタインは1905年にこうして光電効果を説明し、主にこの業績で1921年のノーベル物理学賞を受けました。

もっと知りたい人へ：計算

運動のエネルギー E = h · f − W。h ≈ 4.14 × 10⁻¹⁵ eV·s、仕事関数 W = 2.3 eV。6 × 10¹⁴ Hz では 2.48 eV − 2.3 eV ≈ 0.18 eV。10 × 10¹⁴ Hz では 4.14 eV − 2.3 eV ≈ 1.84 eV。

出典: Wikipedia: 光電効果

チャレンジ2個中0個クリア

  • しきい値を見つけよう。電子がぎりぎり出てくる、いちばん低い振動数だ。
  • 電子が少なくとも2 eV で飛び出す振動数に合わせよう。
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出典：
  1. ウィキペディア：光電効果 — 仕事関数としきい振動数。

さらなる量子の贈り物

アインシュタインの量子論への寄与は、1905年をはるかに超えて広がった。

レーザー

1916年、彼は誘導放出——一つの光子が、もう一つの同一の光子を引き起こすこと——を記述した。数十年後、これがあらゆるレーザーの背後にある原理となった。

ボース＝アインシュタイン凝縮

サティエンドラ・ナート・ボースとともに、彼は絶対零度近くの奇妙な新しい物質状態を予言した。1995年についに実験室で作り出され、その作り手にノーベル賞をもたらした。

波と粒子の二重性

彼の研究は、光が——そして物質が——波としても粒子としてもふるまうことを明らかにする一助となった。現代物理学の礎である。

出典：
  1. 誘導放出；ボース＝アインシュタイン凝縮。

「神はサイコロを振らない」

ニールス・ボーアとアルベルト・アインシュタインが深く語り合う、1925年ごろパウル・エーレンフェスト撮影
アインシュタインとニールス・ボーア、1925年ごろ。量子論をめぐる二人の、和やかでありながら深遠な論争は、物理学で語り草となっている。画像: Paul Ehrenfest. パブリックドメイン, ウィキメディア・コモンズ経由 (出典)

1920年代の終わりには、量子力学は徹底して確率的になっていた——電子がどこで見つかるかの確率は予言できても、確定した答えは決して出せない。アインシュタインにはこれが耐えがたかった。完全な理論は、単なる確率ではなく、確定した実在を記述せねばならないと彼は信じた。

名高いソルベー会議で、彼はニールス・ボーアと渡り合い、量子論の足をすくおうと巧妙な思考実験を次々と編み出した。ボーアは、ときに眠れぬ夜を越えて、その一つひとつに答えを見いだした。「神はサイコロを振らない」とアインシュタインは言い張った。1926年にボルンへ宛てた手紙には、こう書いている（翻訳）——「いずれにせよ、私は神がサイコロを振らないと確信している。」ボーア自身の後年の記述では、彼は日常の言葉で摂理に属性を付すことを戒めたという。「アインシュタイン、神に何をすべきか指図するのはやめたまえ」という決め台詞は後世の語り直しであり、記録された引用ではない。

1927年ソルベー会議の集合写真。二十九人の出席者のうち十七人がノーベル賞受賞者か、のちに受賞する
1927年、ブリュッセルのソルベー会議——おそらく科学史上もっとも並外れた頭脳の集いだ。アインシュタインは最前列の中央に座っている。画像: Benjamin Couprie, Institut International de Physique Solvay. パブリックドメイン, ウィキメディア・コモンズ経由 (出典)
量子力学はたしかに堂々たるものだ。だが内なる声が、これはまだ本物ではないと私に告げる。アルベルト・アインシュタインマックス・ボルンへの手紙、1926年12月4日；英訳からの翻訳
出典：
  1. ウィキペディア：ボーア＝アインシュタイン論争（英語）。
  2. ニールス・ボーア：Discussion with Einstein（1949、英語）；Wikiquote：Albert Einstein（1926年12月4日のボルン宛書簡）。
  3. ウィキペディア：EPRパラドックス；量子もつれ。