「量子力学」は、万物のふるまいを説明する三つの大理論の一つだ。残りの二つは、アルベルト・アインシュタインが提唱した「特殊相対性理論」と「一般相対性理論」で、時間と空間と「万有引力」を対象にしている。ほかのすべてを対象にするのが量子力学で、満足しようが途方に暮れようが、自然のふるまいを予測するという実用的な価値において、正確さと適用範囲の広さを誇っている。
何かの役に立つことはかならずしも科学の目的ではないが、純粋な興味からはじまった基礎研究によって、しばしば技術や社会に大変革がもたらされてきた。あらゆる分野での発見のおかげで寿命が延び、飛行機や電子メールが大陸のあいだを行き交う。人々は単調な肉体労働から解放され、無限の宇宙へと思いをはせる。だが、そのような成果は、ある意味すべて副産物だ。科学者の動機は好奇心にあり、理論の拡張や製品の改良にあるのではない。
深遠な理論が広範に適用できる好例として、おそらく量子力学は真っ先にあげられる。粒子が複数の場所に同時に存在し、瞬時に宇宙のかなたまで飛んでいくと主張するのだから、これほど深遠な理論もない。宇宙を構成する基本要素のふるまいを理解すれば、森羅万象が説明できるのだから、これほど適用範囲が広い理論もない。
この本の目的の一つは、量子力学から神秘性を取り除くことにある。その理論が誕生したときから、研究者の困惑がはじまった。一〇〇年にわたる努力のおかげで、現在では全貌の理解も進んでいる。だが、歴史的な背景を知るためにも、一九世紀が終わろうとする時代から説明をはじめたい。当時の物理学者は、なぜ、それまでにない革新的な理論にたどり着いたのか?
(第一章より)
目次プレビュー
- 1 何か奇妙なことが起こっている
- 2 二つの場所に同時に存在する
- 3 粒子とは何か?
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驚くべき一致
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単純な法則、複雑な現象
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奇妙だが、神秘ではない
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跳ね返る砲弾
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分光学の理論と原子の構造
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非常識で納得いかない理論の誕生
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ニュートンの理論
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古典的世界像の限界
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複数の場所に同時に存在する
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時計の針と位相
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時計の正体
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波動関数の大胆な解釈
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一瞬であらゆる場所に
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ただ規則にしたがう
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ハイゼンベルクの不確定性原理
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時計から不確定性原理を導く
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プランク定数の手短な歴史
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ふたたび不確定性原理へ
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粒子の動き
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ド・ブロイの方程式
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波束
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フーリエ級数への分解
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運動量表示の波動関数
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定常波
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閉じ込められた電子
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電子の運動エネルギー
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原子スペクトルの正体
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原子のポテンシャル
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量子数
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量子数と周期表
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パウリの排他律
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排他律を時計であらわす
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時計の一体化
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フェルミ粒子とボース粒子
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粒子が二個だけの世界
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二重井戸型ポテンシャル
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二つの井戸に二つの粒子
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原子がN個の世界
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電子の流れ
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電子と正孔
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偉大な不純物
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半導体を接合する
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トランジスターの原理
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量子電磁力学
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ファインマン・ダイアグラム
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観測との相互作用
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歴史の干渉
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反粒子のタイムトラベル
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素粒子物理学の標準モデル
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質量の正体
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ヒッグス機構
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白色矮星とチャンドラセカール限界
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恒星の命運と質量
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電子の圧力
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電子の圧力と万有引力をバランスさせる