【高校物理】学校では教えてくれない、原子分野の理解を深めるコツ
高校物理では、4分野がメインになります。
- 力学
- 熱力学
- 波
- 電磁気
ですが実際には原子分野も勉強過程に含まれています。
受験ではほとんど出題されないのと、学校側も時間の関係から軽く学ぶ程度に終わってしまうことがほとんどです。
ですが、近年出題傾向があり、特に難関大では今まで出題されてなかったとしても今年は出題されることも全然あり得ます。
そのため勉強はしたほうが良いのですが、僕が学生時代に思ったことが「全然面白くない」です。
理由は３つありまして、
- 雰囲気が４分野と違う
- 教科書や学校の授業で言っていることがよくわからない
- いきなりよくわからない概念が出てくる
おそらく原子分野を学ぶと同じ感覚を覚えると思います。
なので、今回は原子分野を学ぶモチベーションを上げていきたいと思います。
目次
原子分野は「量子力学」の導入である
結論から言いますと、原子分野は量子力学です。
もちろん厳密な量子力学が学びませんが、量子力学で扱う概念を含んでいます。
光電効果だったり、ボーアの電子模型だったりはまさに量子力学出てくる内容なんですね。
量子力学という言葉は聞いたことはあると思います。つまり、量子力学をざっくりわかっていればこの原子分野の内容もわかるというわけです。
量子力学を学ぶとは歴史を学ぶこと
では量子力学を学ぼう、と言っても難しいと思いますよね。実際本当に難しいです。
しかしこれも解決策があります。それは歴史を学ぶことです。
量子力学は歴史を見るととても面白くて、それを学んでいくと原子分野で出てくる内容がスッと頭に入ってきます。
さらに言えば、今までやってきた力学の歴史から改めて見返すことで量子力学の全貌が見えてきます。
その歴史については別の記事で紹介しますが、「歴史を学ぶことが原子分野の攻略のカギなんだな」とここでは思ってもらえればOKです。
量子力学の前提は「わからない」？
量子力学について深く触れませんが、ここでは量子力学の礎だけ教えようと思います。
結論、量子力学は「わからない」です。
、、、ちょっと当たり障りのない結論ですが、本当にこれが今の答えです。
実は量子力学は物理学者でも哲学的でやんわりしているという感覚を持っているそうです。
また量子力学は理論が生まれてから100年しか経っていません。科学史において100年は全然短いです。
そしてまだ現代でも研究が進んでいる分野でもあります。
数式としては間違いなくある。しかし観測ができない。
ここで出てくる量子は、代表例でいうと光です。おそらく聞いたことあると思いますが、光は「波でもあり粒子でもある」と説明されることが多いです。
厳密には量子とは、「波でもなく粒子でもない。ある条件下で波にも見えるし、ある条件下で粒子にも見える」、そんな物質だと解釈されています。
現代の量子力学は、「数式としてこの量子は実在する。しかし技術的に観測ができない」というところに至っています。
物理学者としては、観測できなくても数式で表されるならそれで良いという立場にあり、実際に量子というものを見なくても方程式を解くことで現実世界に落とし込むことができます。
事実、今この記事を見ているスマホ、パソコンはその量子力学が無ければ実現ができないです。
技術の進歩により量子の正体がわかる可能性はある
量子は数式上に存在するものであり、量子を「何らかのもの」として見ることはまだできていません。
しかし、それはただ技術力が足りていないだけである可能性も十分にあります。
これはニュートン力学の歴史でも同じことが言えます。
今まで地球上の物理と天体の物理は違うものだと思われていました。もっと言えば、地球が回っているかどうかさえも論争が起きていました。
しかし、最初に数式を立てるとどうやら地球は回っていると説明ができ、でも観測ができないため信じがたいという声もたくさんありました。
その後技術が進歩し、望遠鏡が発明され、別の天体を観測することで地球も回っていることが「観測」できたわけです。
量子力学も当時の「天体の運動」と同じ状況にあり、量子力学を基礎となる方程式があり、これを正しいとすれば様々な説明ができる、しかしまだその正体を見ることができないという状況なのです。
量子の観測を難しくしているのは、観測をしようとするとふるまいを変えてしまうというところにあります。
ある実験では波なのに、別の実験では粒子に見える。そして両方を同時に見ることができないのです。
この詳しい話はまた別の記事で。
量子は「確率」である
今の量子力学の理論では、量子は確率的に存在するという認識にあります。
これはつまり見るまでそこに量子が存在するかわからないということです。
少し思考実験しましょう。
例えば、真っ暗なで音も聞こえない部屋にあなたがいるとします。そしてあなたは「その部屋には１つだけ箱がどこかにあります」とだけ告げられます。
このとき、あなたは箱がどこにあるのか特定できるでしょうか？
特定できませんね。もっと言うとそもそも箱があると言われているが、本当にあるのかさえも疑問に思うかもしれません。
では一度明かりがついて箱のありかを認識した後また暗くなります。この時、あなたは箱の位置を把握できますか？
予測はできると思います。なぜなら一度「見た」からです。
しかし、その「見た箱」と本当に同じ箱がそこにあるでしょうか？
「見た」ということは箱に光が当たって反射し、その光が目に届いたことになります。
光が箱に当たったということは箱にエネルギーやら振動やら何かを作用させているはずです。
つまり、あなたが「見た箱」はあくまで光があったときの箱でしかなく、光が当たる前の箱、つまり真っ暗な部屋に最初にあった箱は全く違うものかもしれません。
これがまさに量子力学です。
このどちらでもない様子が、実際に方程式にも含まれており、方程式に虚数が使われているのもその「わからない感」を表しています。
原子物理をまとめると
量子力学の根本は「確率」であり「わからない」です。
これを念頭に置きながら、物理学者がどのような取り組みをしていったのか、を見ていくと気づいたら高校の原子物理はすべて完了しています。
ということで、別の記事で歴史を見ていきましょう。
