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光の探求から生まれた量子・量子の歴史

光の探求から生まれた量子・量子の歴史

「光とは何か。」という問いから光を探求していく過程で、「量子」という新しい概念が生まれました。
量子の性質を解き明かし、それを利用する量子論や量子力学が、あらゆる分野で社会を革新してきました。
今さらに飛躍的な革新の波が到来している量子。その歴史を見てみましょう。

量子の歴史

量子の誕生 ~光の研究からうまれた量子論~

「光とは何か」。「光は波なのか、粒なのか」。多くの科学者が議論を重ねていた1807年、ヤングの干渉実験により、光は波であると証明されました。しかしその後、1900年にプランクが光のエネルギーがとびとびになることを発見。1905年には、アインシュタインにより、光電効果を説明する「光量子仮説」が提唱されました。光は、波であると同時に粒の性質も持つ「光子(フォトン)」であると結論付けられました。同じころ、実験技術の進化とともに、電子や原子といった粒子にも、波の性質があることが発見されました。
1800年代の末ごろまでにはすでに、ニュートン力学やマクスウェルの電磁気学、熱力学や流体力学といった物理学は確立していました。これらの理論は完璧で、物理学にこれ以上の新しい進展はないと考えられていましたが、1900年ごろになって、原子や電子などミクロな世界の姿が少しずつ明らかになり始めると、黒体放射や光電効果といった、古典物理学の理論では説明できない現象が確認されました。物理学者たちは思いがけない矛盾に当惑しながらも、真実に向き合うことをあきらめませんでした。そして生まれたのが、それまでの理論とは全く異なる「量子」という概念だったのです。1900年代前半は、多くの科学者によって量子論が展開、さらに数式化された量子力学が目覚ましく進展していきました。
量子論、量子力学
の発展1900年ごろ

第1次量子技術革命(量子1.0)~半導体技術が高度情報化社会を支える~

1940年ごろには、量子力学に基づいた電子の制御が確立しました。光量子仮説、波動関数、不確定性原理など量子力学を利用した半導体技術が、コンピュータや通信機器、医療、工業、農業や教育などあらゆる場面で、私たちの暮らしを支えるまでになりました。
量子1.01940年ごろ

第2次量子技術革命(量子2.0)~量子状態の精密制御により新たな扉が開く~

量子状態を精密に制御し、量子もつれなどの量子特有の性質を最大限に活かす「量子技術2.0」と呼ばれる新技術の研究開発が世界中で加速しています。その代表例は、量子コンピューター、量子ネットワーク、量子センサなどです。これらが実現すると、私たちの未来の社会はさらに大きく様変わりすると言われます。それ自身も量子の性質をもつ光ですが、量子状態を精密制御するための道具としても利用され、その可能性は、第2次量子技術革命の鍵をにぎっています。
量子2.02010年ごろ
量子の世界のサイズ 
~量子力学が支配するミクロな世界~
量子の世界とはどれくらいミクロな世界なのでしょうか?
その小ささを理解するため、1辺が1 mの立方体で考えてみましょう。
立方体の1辺の1 mを、半分の50 cmにしてみたとき、体積は8分の1になります。これを繰り返していくと・・・
11 回8 等分したとき、シャープペンシルの芯の直径と同程度、1 辺が約0.49 mmになります。
15回8等分したとき、スギ花粉の直径と同程度、1 辺が約0.03 mmになります。
さらに33 回8 等分したとき、原子1 個のサイズ0.12 nm※ (0.00000012 mm)に到達します。
このあたりが、「量子」の世界。
0.1 nm程度の小さな世界では、驚くべき量子現象が顕著に現れます。私たちの生活する世界での物理学の通常のルールや直感が通用しなくなるのです。原子や、電子、光子は、波の性質と粒の性質を同時に持ったり(二重性)、位置と運動量を同時に決められないといった現象(不確定性)、が起こっているのです。信じがたいけれど、これが自然界で起こっている真実です。

※nm (ナノメートル)は、100万分の1ミリメートル
量子のふしぎ
「粒子と波動の二重性」を
確かめる実験

量子が持つふしぎな性質、その一つである、波と粒の二重性。それを光を使った実験で確かめることができます。光子が1つしかない状態(=粒として数えられる状態)にしたうえで、1807年にヤングが行った干渉実験を行います。二重スリットを通ったあとの光子1粒の位置を、高感度カメラで撮って表示してみると・・・。粒の状態と言っていい光の1粒が、波であることを示す「干渉縞」を作り出す。その様子が確認できました。