小学生でもわかる！「量子力学（りょうしりきがく）」

はじめに
量子力学りょうしりきがくってなに？
ミクロの世界せかいのふしぎなルール
身近みぢかなところで活躍かつやくする量子力学りょうしりきがく
まとめ

はじめに

みなさんは、自分たちの身の回りにあるものが何からできているか考えたことはありますか？机や椅子、スマートフォン、遊んでいるゲーム機、さらには私たち人間のからだや吸っている空気まで、この世界に存在しているものはすべて、とてつもなく小さな粒が集まってできています。

その「目に見えないほど小さな世界」では、私たちがふだん暮らしている大きな世界とは、まったく違う不思議なルールが働いています。なんと、ものが同時に2つの場所に存在したり、壁を通り抜けたり、遠く離れた場所へ一瞬で情報が伝わったりするのです！

そんなミクロな世界のふしぎなルールを解き明かす学問が「量子力学」です。今回は、科学者たちも驚いた量子力学の面白くて不思議な世界を、わかりやすく解説していきます！

はると

なぁひまり、最近ニュースで「量子コンピュータ」って言葉を聞いたんだけど、量子って一体なんだ？おいしい食べ物か？

ひまり

食べ物じゃないわよ！量子っていうのは、すっごく小さなミクロの世界の主役のことよ。今日はその「量子力学」の不思議な世界を教えてあげるね。

量子力学ってなに？

私たちが普段見たり触ったりしている世界は「マクロの世界」と呼ばれます。マクロの世界では、当たり前の物理法則が成り立っています。たとえば、公園でサッカーボールを蹴れば空を描いて飛んでいきますし、木から落ちたリンゴは必ず地面に向かって落ちます。こうした大きなものの動きを説明する学問を「古典力学」と言います。

しかし、ものをどんどん細かく分解していき、分子や原子、さらにその内側にある電子や光の粒（光子）といった「ミクロの世界」まで行き着くと、この古典力学のルールがまったく通用しなくなってしまいます！

ミクロの世界で起きる現象は、私たちの「当たり前」や常識を超えたものばかりです。この超ミクロな世界で起きる特別なルールや現象を研究し、計算できるようにした学問こそが「量子力学」なのです。

「量子」とは、物質や光などの小さな最小単位の総称です。電子や中性子、光子などがすべて量子の仲間です。

はると

えっ、常識が通用しない！？ボールを投げたら急に消えたり、分身したりするのか！？

ひまり

ふふ、あながち間違いじゃないかも！ミクロの世界では、私たちが想像もできないような不思議な現象が当たり前に起きているのよ。

ミクロの世界のふしぎなルール

量子力学の世界には、人間の常識では考えられないようなびっくりするルールがいくつもあります。ここでは、代表的な3つのルールを紹介します！

1.「粒」なのに「波」でもある！？

私たちが知っているサッカーボールや野球のボールは「粒」です。1箇所に固まって存在し、投げれば1つの軌道を描きます。一方で、海の水面に広がる波や、音の伝わり方は「波」です。空間全体に広がり、壁の裏側に回り込むこともできます。

普通なら「粒」と「波」はまったく別の存在ですよね。ところが、電子などのミクロな「量子」は、なんと「粒の性質」と「波の性質」の両方を同時に持っています！

誰かが観察していない（見ていない）ときは、空間全体にふんわりと広がる「波」として存在しています。しかし、実験装置などで「どこにあるか観察した」途端、サッとひとつの場所に集まって「粒」の姿に変身するのです。見るか見ないかによって姿を変えるなんて、まるでだるまさんが転んだをしているみたいですね！

2.「あっち」と「こっち」に同時に存在する！？

普通の生活では、自分が「自分の部屋」と「リビング」の両方に同時に存在するなんて不可能です。しかし、ミクロの世界では、観察されるまでの間、「あっちにいる状態」と「こっちにいる状態」が混ざり合って、同時に重ね合わさって存在しています。これを「重ね合わせ」と言います。

箱の中にコインを入れてシャカシャカ振っている場面を想像してください。箱を開けて見るまでは、コインが「表」か「裏」かは決まっていません。表である可能性と裏である可能性が半分ずつ重なり合っています。そして、箱を開けて見た瞬間に初めて「表」または「裏」という結果が1つに決まります。量子もこれと同じで、誰も見ていないときは「すべての可能性が同時に重なり合って存在している」のです。

これについて、昔の偉大な科学者シュレーディンガーは「箱の中の猫が、生きている状態と死んでいる状態が同時に重なり合っている」という有名な例え話を作って、この現象の不思議さを伝えようとしました。

3.どれだけ離れても一瞬で伝わる！？

2つの量子が特別なペアになると、運命共同体のような強い結びつきを持ちます。これを「量子もつれ」と呼びます。

このペアになった2つの量子は、たとえ片方を地球に置き、もう片方を何億光年離れた宇宙の端っこに持っていったとしても、つながりが切れません。地球にある量子の状態を観察して決定した瞬間、なんと宇宙の反対側にあるもうひとつの量子の状態も「一瞬で」決まってしまうのです！

光の速さよりも早く情報が伝わっているように見えるため、あの有名な天才科学者アインシュタインも「こんな不気味な遠隔作用があるわけがない！」と最初はこの現象を信じられなかったほどです。でも、その後の実験で、この現象が本当に起きていることが証明されました。

はると

すげー！忍者みたいに壁を抜けたり、テレポーテーションしたりしてるみたいだな！

ひまり

そうなの！実際、エネルギーの壁を通り抜けちゃう「トンネル効果」っていう現象も量子力学には実在するのよ。

身近なところで活躍する量子力学

「ミクロの世界の不思議な話は分かったけど、それって私たちの生活に関係あるの？」と思うかもしれませんね。実は、量子力学はSFのお話ではなく、私たちが毎日使っている最新技術の土台になっています！

1.スマートフォンやパソコン

スマホやゲーム機、パソコンの頭脳である基板には、小さな「半導体」という部品が何十億個も入っています。この半導体の中で電気のもとである「電子」の動きを精密にコントロールするために、量子力学のルールが使われています。もし量子力学が解明されていなかったら、手のひらサイズの高性能なスマートフォンはこの世に存在しませんでした。