～不思議な色の世界～　現実に見える量子の不思議な世界

　先ほど、可視光のスペクトルと色との関係について見てきましたが、この光とは何でしょう。
一言で言おうとすると苦心しますね。つまり、あの量子力学とかいう、日常世界から考えると、
とても理解のできない話に触れない訳にはいかなくなるからです。
　で、これを避けて、かつ間違った表現にならないよう気を遣って一言でいうならば、光とは、
「エネルギーと電磁界の波動を持った量子」なのです。　何ですか、これは？！　意味ががさっ
ぱり判りませんね。　でも粒子とか、波とか決めつけていないところがポイントです。

　さて、高校の物理で学びますが、光は次のような性質を持っています。
・波の性質を持って屈折や反射、回折の現象を起こす。
・粒子のように、小分けにすると、これ以上小さくできない最小値（最小エネルギー単位）がある。
・電子は光のエネルギーで活性化し、不連続にエネルギー状態を変える。
・活性化した電子は、光を放出してエネルギーを失い、不連続にエネルギー状態を変える。
　そして、授業の結論として、光は波であるとか、粒子であるとか決めつけてはいけないという
ことを言われます。

　私たちの良く知っている電子も同じような量子で、波のように回折を起こし、最小単位を持ち、
おまけに、物質の中で存在している場所も特定できません。電子の存在位置は確率で表し、
場所を決めつけてはいけないと言われます。
　これが量子力学の出発点であり、また、特定の性質を持った物質を自由に設計することが
できる基本の理論である「量子化学」の出発点です。日常では理解できない話ですが、原子・
分子のミクロな世界の常識として、そのようになっていると妥協するしかなさそうです。
　しかし、本当にそれは真実なのか疑ったとき．．．、この常識を越えた世界が目で見られる
現象があるということで納得しましょう。

　世の中で最も不活性な物質であるヘリウム、これは絶対０度でも液体でいられる唯一の物質
です。これをどんどん冷やしていくと、４．２Ｋ（ケルビン）で液体になります。この液体ヘリウムⅠ
はそれで面白いことがたくさんあるのですが、ここでは更に冷やしてみましょう。
　２．１７Ｋ以下になると、突然様子が変わります。超流動と言い、容器に入れた液体ヘリウムⅡ
（Ｌ．ＨｅⅡ、２．１７Ｋ以下の液体ヘリウム）は、その流体抵抗が０になります。
　一旦回転させたＬ．ＨｅⅡは永久に回転し続け（角運動量保存則を考慮するならば、Ⅱになる
前に回転させた方がよさそうです）、流体の抵抗がなくなった結果、Ｌ．ＨｅⅡは非常に薄い膜とな
って、ビーカーの壁をよじ登り、外側に流れてきます。（灯油ポンプの原理で低い方に流れる。）
これは理想の潤滑剤！！？と思った方、答えは×です。Ｌ．ＨｅⅡを使っては、潤滑剤が何も
ないのと同じになります。
　２．１７Ｋ以上では、Ｈｅ原子が一個一個独立して運動し、壁面と衝突して抵抗を与えていたも
のが、この温度以下を境に、原子の集団で行動を起こすようになり、壁面との摩擦がなくなるも
のと説明されています。これはまさに、量子力学の世界がマクロに見えている現象なのです。
（Bose-Einstein凝縮と言います。Ｈｅ原子の量子の世界を目の当たりにしているわけです。ここ
で、正確には、２．１７K付近では、超流体と常流体が混ざった状態になっています。）
　この超流動、他にも熱が音速に近い速度で伝わる（０．５K付近では１５０ｍ／ｓほどの速度で
熱が伝わります。）など、信じられない現象があります。これは、温度差ができそうになると、そう
ならないように、超流体成分が流れて均一な温度になろうとすることが原因で、一端の温度を振
動させると、音と同じような波（第二音波と呼ぶ）ができ、壁に反射して定在波ができたりもします。

　このＬ．ＨｅⅡの中では、音は２３８ｍ／ｓほどの速度で進みます。空気中の音速３３０ｍ／ｓより
も少し遅い速度ですが、このＬ．ＨｅⅡの音の伝搬についても際だった特性があります。
　光では周波数（振動数）が高いほど、高いエネルギーを持っているという話がありましたが、同じ
ように音も高い周波数ほど大きなエネルギーを持っています。超音波で堅い石を砕いたりできるの
もそうした高いエネルギーによるものです。しかし、通常の媒質中を伝わる音は、それが高い周波
数（音程で言うなら高い音）であるほど、減衰が激しく遠くまで伝わらなくなります。エネルギーが高
いために、途中で吸収されて、熱など別のエネルギーの形態に変わってしまうのです。ところが、Ｌ．
ＨｅⅡは流体抵抗がありませんから、これを減衰させる相手がなく、非常に高い周波数の音まで伝
わります。私たちが標準に用いているＡの音は４４０Ｈｚですが、これを２３オクターブ上げた音はお
よそ３．５ＧＨｚとなります。この程度の音までは減衰せずにＬ．ＨｅⅡの中を通って伝わっていること
が観測されているようです。　理論から考えても、１００ＧＨｚ（音速２３８ｍ／ｓから逆算すると音の波
長２．３８ｎｍになります。）程度の周波数の音までは、減衰せずに伝わるようです。

　また、量子の世界の話に戻って、１／４００Ｋ以下に冷やした液体_３ヘリウムⅡは、その中に生じた
渦の強さが飛び飛びの値しか取ることができないという、まさに量子力学の現象を示すとのことです。

　というように、この量子の世界、波でもない、粒子でもない、そのような「光」や「電子」や「原子」と
いったものが存在している、それは事実だ、と妥協するしかなさそうです。

　ところで、筆者は学生時代から不思議なものが好きでありまして、研究課程では超電導を専門
にやっておりました。　液体ヘリウムⅠで導体から超電導体を作って、電磁界や熱伝搬などを調
べていましたので、この液体ヘリウムではずいぶんと遊ばせて（研究させて）いただいたものです。
　この超電導も、電子が同じように凝縮を起こし、流れる際に、原子に対して抵抗を持たなくなっ
て現れる現象で、これも量子の世界がマクロに観測できるようになったものです。
　筆者が学生の頃は、液体窒素で超電導になるようなものは、まだ世の中に発見されておりませ
んでしたが、量子の世界もなんと簡単にその扉を開くようになったものだと思います。また、最近
では、分子設計によって（例の量子化学を駆使しているのでしょうか）、銅などを含む特殊な有機
物質が、１０Ｋ付近で超電導になる、そんな自然界にはない物質まで作り出されているといった状
況のようです。
　液体窒素温度程度で超流動になるようなもの（高温超流動）は現在発見されていませんが、超電
導は電子対が凝縮したもの、超流動は原子が凝縮したものですから、高温超電導に続いて、こん
な高温超流動みたいなものが出てきたら．．．わくわくしますね。（こんなことを言うと、ご専門の方
には「何もわかっとらん」と怒られそうですけれど。電子と原子では全然質量が違いますから。また、
L.N_２温度の超電導は電子の凝縮だけでは現象を説明できない面があるそうです。）

　いずれにしてもこの世界、まだまだこれから面白いことがたくさんありそうですね。

　　　－－－　要点（かんたんにいうと）　－－－
　　・光には海（うみ）の波（なみ）と同じ性質（せいしつ）があります。
　　・この波（なみ）の様子（ようす）と、見える色（いろ）には関係（かんけい）があります。
　　・自然（しぜん）には不思議な（ふしぎな）物質（ぶっしつ）があって、入れものに入れておくと、
　　　壁（かべ）を伝わって自然に（しぜんに）外に出てきてしまう液体（えきたい）があります。
　　・この不思議（ふしぎ）のわけは、量子力学（りょうしりきがく）という科学（かがく）を勉強（べんきょ
　　　う）するとわかります。　わかるというよりも、こうなっていると考える（かんがえる）しかないような、
　　　本当だけれども理解（りかい）することがとても難しい（むずかしい）学問（がくもん）です。
　　　－－－－－－－－－－－－－－－－－－

　　　　　　　　　　　Copyright (C) 2005 http://iromizu.com, all rights reserved.