Particles and waves: The central mystery of quantum mechanics - Chad Orzel

粒子と波: 量子力学の謎 - チャド・オーゼル

翻訳: Misaki Sato 校正: Tomoyuki Suzuki

One of the most amazing facts in physics is this:

物理学における最も 素晴らしい事実の一つは:

everything in the universe, from light to electrons to atoms,

あらゆるものは光から 電子から原子に至るまで

behaves like both a particle and a wave at the same time.

同時に粒子と波のように 振る舞うということです

All of the other weird stuff you might have heard about quantum physics,

量子力学について奇妙なことを 聞いたことがあるとすれば

Schrodinger's Cat, God playing dice, spooky action at a distance,

シュレディンガーの猫 神のサイコロ遊び 量子もつれといったものでしょう

all of it follows directly from the fact

そのどれもが 全てのものは

that everything has both particle and wave nature.

同時に粒子と波の性質を 持つという事実に基づいています

This might sound crazy.

これはおかしな話かもしれませんね

If you look around, you'll see waves in water and particles of rock,

あなたの身の回りでは 水面の波や 岩の粒子を見つけられますが

and they're nothing alike.

似ても似つかぬ

So why would you think to combine them?

波と粒子を なぜ結びつけたのでしょうか？

Physicists didn't just decide to mash these things together out of no where.

物理学者は何の根拠もなしに これを行ったわけではありません

Rather, they were led to the dual nature of the universe

これは 宇宙の持つ二重性に 導かれた結果であり

through a process of small steps,

一歩ずつ積み重ねていくことで

fitting together lots of bits of evidence, like pieces in a puzzle.

証拠をパズルのピースのように 組み合わせていったのです

The first person to seriously suggest the dual nature of light

最初に光の二重性について 真剣に提案したのは

was Albert Einstein in 1905,

1905年のアインシュタインでしたが

but he was picking up an earlier idea from Max Planck.

その考えの元となったのは M.プランクのアイディアでした

Planck explained the colors of light emitted by hot objects,

プランクは電球のフィラメントのように 高温の物体が放出する

like the filament in a light bulb,

光の色を説明していたのです

but to do it, he needed a desperate trick:

しかしそのためには かなりのトリックが必要でした:

he said the object was made up of oscillators

彼は物質は振動子で 構成されていて

that could only emit light in discrete chunks,

光は一つ一つの塊としてのみ放出され

units of energy that depend on the frequency of the light.

そのエネルギーの最小単位は 光の振動数に依存しているとしました

Planck was never really happy with this, but Einstein picked it up and ran with it.

プランクは満足していませんでしたが アインシュタインはこれを取り入れました

He applied Planck's idea to light itself, saying that light,

彼はプランクのアイディアを 光自体に適用して

which everybody knew was a wave, is really a stream of photons,

波として知られた光は 実は光子の流れであるとし 個々の光子が

each with a discrete amount of energy.

離散的な量のエネルギーを 持っているとしたのです

Einstein himself called this the only truly revolutionary thing he did,

アインシュタインはこれを自身にとって 唯一の真に革命的な発見だとし

but it explains the way light shining on a metal surface knocks loose electrons.

金属の表面に光を照射した時に 電子が放出される様子が説明できました

Even people who hated the idea had to agree that it works brilliantly.

このアイディアが気に入らない人さえも 上手くいくことを認めざるをえませんでした

The next puzzle piece came from Ernest Rutherford in England.

次のパズルのピースは 英国のE.ラザフォードからでした

In 1909, Ernest Marsden and Hans Geiger, working for Rutherford,

1909年 ラザフォードの下で研究していた E.マースデンとH.ガイガーは

shot alpha particles at gold atoms

アルファ粒子を金の原子に 打ち込みました

and were stunned to find that some bounced straight backwards.

すると驚いたことに いくつかの原子が 跳ね返されることを発見しました

This showed that most of the mass of the atom is concentrated in a tiny nucleus.

これで原子の質量の大部分は 小さな原子核に集中していることが示されました

The cartoon atom you learn in grade school,

私達が小学校で習った 原子の図は

with electrons orbiting like a miniature solar system,

小さな太陽系のように 電子が軌道を回っていますが

that's Rutherford's.

これはラザフォードのモデルです

There's one little problem with Rutherford's atom: it can't work.

ラザフォードモデルには問題がありました: 上手くいかないのです

Classical physics tells us that an electron

古典物理学によると 円運動をする電子は

whipping around in a circle emits light,

光を放出します

and we use this all the time to generate radio waves and X-rays.

電波とX線を生成するのに 私達は常にこの原理を利用しています

Rutherford's atoms should spray X-rays in all directions for a brief instant

ラザフォードの原子だと 一瞬のうちにX線を全方向にまき散らし

before the electron spirals in to crash into the nucleus.

電子がらせん状に 原子核に衝突するはずなのです

But Niels Bohr, a Danish theoretical physicist working with Rutherford,

しかし ラザフォードと共に研究していた デンマークの理論物理学者N.ボーアは

pointed out that atoms obviously exist,

原子は間違いなく存在する事を 指摘していました

so maybe the rules of physics needed to change.

そうなると物理の法則を 変更する必要がでてきたのです

Bohr proposed that an electron in certain special orbits

ボーアはある特殊な軌道にある電子は

doesn't emit any light at all.

そもそも光を全く放出しないのだと 提案しました

Atoms absorb and emit light only when electrons change orbits,

原子が光を吸収したり放出するのは 電子が異なる軌道に移る時だけであり

and the frequency of the light depends on the energy difference

プランクとアインシュタインが導いた通り

in just the way Planck and Einstein introduced.

光の振動数は (軌道間の)エネルギー差に依存します

Bohr's atom fixes Rutherford's problem

こうしてボーアの原子モデルは ラザフォードの問題を解決し

and explains why atoms emit only very specific colors of light.

原子がなぜ決まった色の光だけを 放出するかを説明しました

Each element has its own special orbits,

各元素は独自の軌道を持つため

and thus its own unique set of frequencies.

一連の特有の振動数を持っているのです

The Bohr model has one tiny problem:

ボーアのモデルにも 少し問題がありました:

there's no reason for those orbits to be special.

この軌道が特別であるとする 理由がないのです

But Louis de Broglie, a French PhD student,

しかし博士課程にあった フランスの学生L. ド・ブロイが

brought everything full circle.

このつじつまを合わせたのです

He pointed out that if light, which everyone knew is a wave,

彼は波として知られる光が

behaves like a particle,

粒子のように振る舞うのならば

maybe the electron, which everyone knew is a particle,

粒子として知られる電子も

behaves like a wave.

波のように振る舞うであろうと 指摘しました

And if electrons are waves,

そして電子が波であるとすると

it's easy to explain Bohr's rule for picking out the special orbits.

特別な軌道を取るという ボーアの法則を容易に説明できるのです

Once you have the idea that electrons behave like waves,

こうして電子が波のように 振る舞うというアイディアを得たので

you can go look for it.

それを探せば良くなりました

And within a few years, scientists in the US and UK

その数年内に米国と英国の 科学者たちが

had observed wave behavior from electrons.

電子の波のような振る舞いを 観察しました

These days we have a wonderfully clear demonstration of this:

近頃は分かりやすく実証できます:

shooting single electrons at a barrier with slits cut in it.

スリットがある障壁に 電子をひとつ打ち込むのです

Each electron is detected at a specific place at a specific time,

すると各電子は特定の時間に 特定の場所で

like a particle.

粒子として検知されます

But when you repeat the experiment many times,

しかし この実験を 何度も繰り返していくと

all the individual electrons trace out a pattern of stripes,

各電子は全て 縞のパターンを描きますが

characteristic of wave behavior.

これは波の振る舞いの特徴です

The idea that particles behave like waves, and vice versa,

粒子が波のように振る舞い その逆もしかりというアイディアは

is one of the strangest and most powerful in physics.

物理学の中で最も不思議ながら 強力なものです

Richard Feynman famously said

R. ファインマンが述べたように

that this illustrates the central mystery of quantum mechanics.

量子力学が持つ謎の神髄を 示しているのです

Everything else follows from this,

ここから得られたことによって

like pieces of a puzzle falling into place.

まるでパズルのピースがきちんと 収まったかのようです