原子とその内部 Ⅰ
物理学得意の今のところ正しいとされる仮説
それで考えてみよう
量子の存在確率なんていうと
ぼくの頭では理解が追いつかないから
思い切り単純に原子核と電子だけで原子を考えてみる
そして 量子の存在確率っていうのを
電子の存在確率ってことにしちゃおう
（学者さんには怒られそうだけど）
原子の中のどこに電子がいるのかは
観測していないときには
シュレティンガー方程式に従った
確立の中にいるってこと
そして電子を観測すると
その存在は粒子として見つけることができる
このあたりがややこしいことになっちゃうんだけど
今のところ観測の結果としてはそうなるんだから仕方がない
色々な解釈があるんだろうけど
実は今のところシュレティンガー方程式が何を意味するのか
これは未解決の問題なのかも
虚数が組み込まれる数式を
現実の物理学の世界に組み込むなんて
どう考えてもおかしいと思うんだ
だけど 観測の結果が方程式と齟齬が出ていない
だから一応の（今のところ正しい）仮説として
認められているんだけどね
原子とその内部 Ⅱ
原子の中の電子の存在位置を確立でしか表せない
最近はやりの電子は 原子核の周りを
周回しているんじゃなくて
雲のようにぼんやりと包んでいるという原子模型の形
では その雲はどこまで広がっているのだろう
量子力学 特にその解釈の中心になる
不確定性原理で考えるのならば
その雲は宇宙の中のどこまでも広がっていく
なんてとんでもない結論が出ちゃう
まあ 考え方としては
間違いじゃないんだろうけども
ただ 現実的な考え方だと
原子核と電子はクーロン力で固められているはず
つまりクーロン障壁と言われる
エネルギー障壁があるわけだ
古典物理学だと化学反応や物理的運動を起こすためには
そのエネルギー障壁を乗り越える
エネルギーが必要となっちゃう
誤解を招くかもしれない例えで書くと
水が瓶に入っているとしようよ
水が瓶の外に出ていくためには
瓶の口からあふれ出すか 瓶をぶっ壊すか
もしも瓶の材質が浸透性のあるものだったら
じわじわと染み出すかってこと
どの方法にしても
その条件を満たすためのエネルギーが
必要になっちゃうってこと
だから基本の考え方としては
電子の存在確率は原子の内部に限られる もしくは
限りなく原子の内部に限られる
そういうことじゃないのかな
トンネル効果
ただし 例外も存在しちゃうんだよね
観測される前の粒子（電子でもいいけど）の
位置は確率で表せられるってことになっている
その状態を表すのが波動関数
粒子がエネルギー障壁に近づいていくと
その波動関数は障壁内で
減衰していく という計算結果もでているそうなんだ
だけど 障壁を超えた先にも
波動関数が残る可能性が
0じゃない場合があるらしい
その可能性は障壁の高さや幅
粒子の性質（質量やエネルギー）によって
異なるみたいなんだけど
とにかく低いエネルギーの粒子が
障壁を越える可能性があるってことなんだ
その確率は非常に低いんだよ
低いけど0じゃない というところが困った問題
初期のころはこのトンネル効果
恒星（太陽なんかだね）内部の核融合反応の計算式から
可能性は推測されていたんだけど
現代では半導体デバイス 特にトンネルダイオードとか
超伝導体の接合や量子コンピュータなんかにも
実装されているみたいなんだ
だから原子より大きい世界を
マクロ（ぼくたちの認識できる）世界
原子の内部のミクロの世界とは別世界 と
言い切ることができないところが
困ったところなんだけどね
それでも分けて考えよう
量子力学のぼくみたいな素人向けの解説では
世界すべてが確率で動いてる
そんな感じの論調が多いんだ
量子の状態は波動関数によって表すことができる
これは今のところ仮説として
認められていることは良しとしよう
そしてその仮説が認められるとするならば
量子の状態というのは
不確定性原理によって制約を受けてしまう
これも波動関数 波動方程式 ハイゼンベルグ方程式
どれをとっても明確に出てくる結論
そこで問題
たしかに不確定性原理は
世界全てに当てはまるかもしれない
ただ その影響はマクロの世界には
ほとんど無いに等しいんじゃないかな
最先端の技術の中では
不確定性原理が利用されているものもあるらしい
相対性理論が最先端の技術に
利用されているのと同じこと
もっとも特殊相対性理論はマクロの世界の理論
技術的に使われるのは当然かもしれないし
その原理もある程度分かっているような気がするよね
不確定性原理と一般相対性理論は
なんとなく結果が出るから使っている
そんなところじゃないのかな
飛行機がなぜ空中に浮かぶのか とか
全身麻酔がなぜ効くのか なんていうのと
似たような段階のような気がするんだ
だから実用に供する部分はさておいて
ミクロの世界と超マクロの世界は
今のところ未知の分野として
保留しておいたほうが良いのかもしれない
生半可な研究結果を
ぼくたちマクロの世界に応用しようとすると
もしかすると思いもかけない
勘違いが起こっちゃうかもしれないから
原子の中や はるか広大な宇宙は
ぼくたちマクロの住人には（今のところ）覗き込めない場所
そんな風に考えていたほうが良いんじゃないのかな
