破壊学事始

相対性理論が間違っているという主張は良く見かけるかもしれないが、量子力学が間違っているとはあまり聞かない。相対性理論がアインシュタイン一人によって考案されたのとは違って、量子力学は大勢の物理学者がその発展に関わっているからと言われている。大勢関わっていれば間違えないのだろうか？　しかし、量子力学もその始まりから間違っているのだ。間違いがなぜ入り込んだのか？　ひとつずつ追っていこう。

19世紀、製鉄業の発展で熱力学が発達した。鉄を精錬する過程で、炉の温度を測る技術が求められたからだ。炉の放つ熱は、色で温度がわかることが経験的に知られていた。そこで製鉄の品質を改善するため、炉の放射する温度を理論的に解明することが重要視された。そこで明らかになったのが、炉をモデルにした空洞放射のエネルギーは波長の整数倍に比例すると言う数式だった。炉のエネルギーは連続ではなく、飛び飛びの値をとることがわかったのだ。これが量子の発端だ。

電磁気学を作ったマクスウエルも熱力学を研究していた。そこにファラデーの実験ノートをまとめる仕事が入った。ファラデーはマクスウエルの前に、キャベンディッシュの実験ノートを整理する作業をやっていた。もともと、ファラデーのイメージしていた電荷、クーロン力は、まっすぐに対象に届くと考えられていた。ところがマクスウエルは熱のイメージでクーロン力を考えたため、プラスとマイナスが途中で中和するとしてしまった。また、中和するとしたほうが計算が簡単になる。現在考えられている電気力線が途中で曲がってしまうのは、マクスウエルの考えたイメージなのだ。

この部分をもう少し詳しく説明すると、ファラデーはプラスから出てマイナスに収束する電気力線は、それぞれの密度は変わらないと考えた。つまり、プラスから出た電気力線は、途中で中和することなくマイナスに届く。ところがマックスウェルは電気力線が途中で熱のように中和してしまうと考えた。たとえば、プラスとマイナスの電荷が隣り合っている時、マックスウェルの考えでは、プラスとマイナスの電荷の差が周囲に放射される。しかしファラデーの考えでは、プラスとマイナスの電気力線はそれぞれ別々に広がって、対象に届く。このファラデーとマックスウェルの考えの違いが大きな勘違いを生んだ。

量子力学のきっかけとなった、ボーアの原子模型は１９１３年に考案された。プラスの電荷を持つ原子核の周囲をマイナスの電子が回っているという模型だ。当時はまだ原子核が陽子と中性子が結合しているとはわからなかった。中性子の発見は１９３２年だ。古典物理では、原子核の周囲を回る電子は、回転の角加速度によって電磁波を放出し、やがて原子核に落下するだろうと考えられた。そこで、１９２４年にド・ブロイによって、ドブロイ波が考案され、電子は波になった。

中性子が発見された当初、湯川博士は陽子と電子が結合しているのではないかと予想したらしい。中性子が複合粒子であるとの見方は、湯川博士のほかにも何人もの研究者が指摘していた。現在ではCarl JohnsonとEdo Kaalが新しい中性子像を主張している。また、常温核融合では中性子が合成されるメカニズムとして、陽子＋電子を予想している。

現在の中性子は１９６９年にクオークが登場した後に、確立されたイメージだ。クオークによれば、陽子と中性子は異なるクオークが結合した粒子だ。現在の量子力学は１９７０年代に主流となった新しい学説なのだ。

よく言われる半導体の開発に量子力学が使われたというのは、正確に言えば、統計力学が使われたと言うべきだ。量子力学は波動関数などの統計的手法を熱力学・統計力学から引き継いでいる。そのため、多粒子系―マクロな系では統計力学として機能する。ところが原子核と言った粒子の少ないミクロな系では、統計的手法を少数の粒子に対して適応するので、不確定性が現れてしまう。

この矛盾が量子力学をわかりにくいものにしている。熱力学を研究していたアインシュタインが量子力学を批判した理由がこれだ。「神はさいころを振らない」という有名な台詞には、統計を粒子の少ない原子に当てはめるべきではない、という意味がこめられていたのだ。

さて、量子力学の中心には、マクスウエルの電気力線、中性粒子としての中性子がある。中性子が陽子と電子の複合粒子であれば、原子核にはマイナスの電荷が存在する。プラスとマイナスの電気力線が途中で中和せずに周囲にクーロン力を及ぼすなら、軌道上の電子は、陽子のプラスに引き付けられつつ、電子のマイナスで反発する。つまり軌道上の電子は、プラスとマイナスの電荷によりゆるくつながれた状態になっている。ドブロイ波は必要ないのだ。

１９２４年にドブロイ波を導入したのは、当時の趨勢から仕方なかったかもしれない。しかし、１９６９年にクオークが登場するまで何度も修正する機会があったはずだ。いまがそのときなのかもしれないが…

量子力学の間違いは、このように量子力学をある程度知らないと理解できない。しかし、現在の学問体系では、量子力学を知ってしまうと、そこでの批判ができない仕組みになっている。大学の研究制度、論文の査読といった障壁が批判を許さないのだ。

もうひとつの「量子」については、かなりややこしい事情がある。現在でも量子跳躍がなぜ現れるのかを説明することはできないでいる。原子核の周囲にはいくつかの周期的な距離を保つ、電子軌道が存在する。これは次の記事で解説したい。