はじめに

もし「だれも見みていないときだけカベをすり抜ぬけて、見みられた瞬間しゅんかんにピタッと止とまる」なんて力ちからがあったら、びっくりしますよね。

実じつはこれ、ゲームの裏技うらわざやマンガの話はなしではなく、私わたしたちの体からだや身みの回まわりの物ものを極限きょくげんまで細こまかくしたミクロの世界せかいで本当ほんとうに起おきていることなのです！

机つくえやノート、遊あそんでいるゲーム機き、そして自分じぶんたちの体からだは、すべて目めには見みえないほど小ちいさな粒つぶが集あつまってできています。

そして、そのとてつもなく小ちいさな世界せかいでは、私わたしたちがふだん暮くらしている大おおきな世界せかいとはまったく違ちがう、私わたしたちの常識じょうしきが通用つうようしない不思議ふしぎなルールが働はたらいています。

今回こんかいは、ノーベル賞しょうを受賞じゅしょうした大天才だいてんさいたちも「不思議ふしぎでおもしろすぎる！」と頭あたまをかかえた量子力学りょうしりきがくの世界せかいを、いっしょにのぞいてみましょう！

はると

量子力学りょうしりきがくって名前なまえは難むずかしそうだけど、目めに見みえないミクロの世界せかいの話はなしなんだな！どんな不思議ふしぎな秘密ひみつがあるのかめちゃくちゃ気きになるぜ！

ひまり

そうなの。わたしたちの常識じょうしきがぜんぶひっくり返かえるくらい、びっくりするルールがいっぱいあるのよ！

量子力学りょうしりきがくってどんな世界せかい？

量子力学りょうしりきがくの「量子りょうし」とは、原子げんしや電子でんし、光ひかりの粒つぶなど、これ以上いじょう小ちいさく分わけられない極小きょくしょうの粒つぶたちのことです。

私わたしたちがボールを投なげると、ボールは決きまった道みちを通とおって地面じめんに落おちますよね。このように、目めに見みえる大おおきな世界せかいを説明せつめいするルールを「古典力学こてんりきがく」と呼よびます。

ところが、極小きょくしょうの量子りょうしの世界せかいでは、物ものが同時どうじに2つの場所ばしょに現あらわれたり、カベを通とおり抜ぬけたりします。この不思議ふしぎなミクロの世界せかいのルールを解とき明あかすのが「量子力学りょうしりきがく」です。

はると

カベを通とおり抜ぬけたり、同時どうじにあちこちにいるなんて、忍者にんじゃの術じゅつみたいですげーな！

ひまり

ふふ、まさにSF映画えいがみたいよね。でもこれは空想くうそうではなく、本物ほんものの科学かがくの世界せかいで実際じっさいに起おきていることなのよ。

目めに見みえない粒つぶの不思議ふしぎなルール

量子りょうしの世界せかいには、私わたしたちの頭あたまを悩なやませる3つの代表的だいひょうてきなルールがあります。

1つ目めは「波なみと粒つぶの二刀流にとうりゅう（二重性にじゅうせい）」です。光ひかりや電子でんしは、ふだん見みていないときはプールに広ひろがる波なみのようにふわふわと広ひろがっています。ところが、人間にんげんが「どこにあるかな？」と観察かんさつした瞬間しゅんかんに、ピシッと1つの粒つぶに変身へんしんするのです。

2つ目めは「同時どうじにあちこちにいる（重かさね合あわせ）」です。回転かいてんしているコインを上うえから見みると、表おもてと裏うらが両方りょうほう混まざり合あって見みえますよね。量子りょうしの世界せかいでは、観察かんさつする直前ちょくぜんまで「表おもてでもあり、裏うらでもある」という不思議ふしぎな状態じょうたいが同時どうじに存在そんざいしています。

3つ目めは「カベをすり抜ぬける（トンネル効果こうか）」です。大おおきなボールなら跳はね返かえされる高たかい壁かべでも、極小きょくしょうの電子でんしはまるでトンネルをくぐるように通とおり抜ぬけて向むこう側がわに出でてしまうことがあります。

はると

見みていないときだけ波なみになって広ひろがってるなんて、「だるまさんがころんだ」みたいですげー面白おもしろいな！

ひまり

とてもいい例たとえね！だれかが観察かんさつすることで状態じょうたいが決きまるというのが、量子りょうしの最大さいだいのミステリーなの。

身近みぢかなところでどう使つかわれているの？

「そんな不思議ふしぎな世界せかい、自分じぶんたちには関係かんけいない」と思おもうかもしれませんが、実じつは私わたしたちの生活せいかつは量子力学りょうしりきがくのおかげで成なり立たっています。

たとえば、スマートフォンやゲーム機きの中なかに入はいっている半導体はんどうたいという極小きょくしょうのチップは、電子でんしがカベをすり抜ぬけるトンネル効果こうかをコントロールして電気でんきを流ながしています。

また、部屋へやを明あかるく照てらすLEDライトや、映画館えいがかんのレーザープロジェクター、病院びょういんで体からだの断面だんめんを調しらべるMRIなども、すべて量子りょうしの性質せいしつを利用りようした技術ぎじゅつです。

さらに今いま、世界中せかいじゅうで開発かいはつが進すすんでいる「量子りょうしコンピュータ」は、普通ふつうのコンピュータが迷路めいろを1本ほんずつ試ためして解とくのに対たいして、全すべての分わかれ道みちを「同時どうじに分身ぶんしんして一気いっきに進すすむ」ように計算けいさんします。そのため、スーパーコンピュータが何万年なんまんねんもかかる超複雑ちょうふくざつな計算けいさんを、たった数分すうふんで終おわらせてしまうのです。

はると

俺おれたちの身近みぢかにあるスマホやゲーム機きも、量子りょうしの力ちからで動うごいていたんだな！未来みらいの量子りょうしコンピュータもすげー楽たのしみだぜ！

ひまり

そうなの。量子力学りょうしりきがくはただの理論りろんじゃなくて、未来みらいの暮くらしを劇的げきてきに変かえるスーパーテクノロジーなのよ。

まとめ

最後さいごに、量子力学りょうしりきがくの重要じゅうようなポイントを黒板こくばんノートで振ふり返かえってみましょう！

はると

目めに見みえない極小きょくしょうの世界せかいに、こんなにワクワクする秘密ひみつがあったなんて驚おどろいたぜ！明日あした、学校がっこうでみんなに「スマホの中なかで電子でんしがカベをすり抜ぬけてるんだぜ！」って自慢じまんしてやるぞ！

ひまり

身近みぢかなスマホや光ひかりを見みるたびに、「今いまも量子りょうしががんばってるんだな」って思おもい出だしてみてね！

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はじめに

バスに乗のっているとき、赤信号あかしんごうで「急きゅうブレーキ」がかかって、体からだが「オットット！」と前まえのめりに倒たおれそうになったことはありませんか？

あるいは、校庭こうていでサッカーボールを力ちからいっぱい蹴けるとビュンと遠とおくまで飛とんでいくのに、地面じめんをコロコロ転ころがっていくボールは、やがて自然しぜんに止とまりますよね。

「どうして動うごいているものは倒たおれそうになるの？」 「どうして蹴けったボールはずっと飛とび続つづけないで止とまるの？」

もしもこの世よに運動うんどうのルールがなかったら、どうなってしまうでしょうか？ 一度いちど蹴けったボールが永遠えいえんに止とまらず宇宙うちゅうの彼方かなたまで飛とんでいってしまったり、逆ぎゃくにどれだけ力ちからいっぱい蹴けってもボールがビクとも動うごかなかったりして、サッカーの試合しあいどころじゃなくなってしまいます！

実じつは、私わたしたちが暮くらしているこの世界せかいには、物ものが動うごいたり止とまったりするときに従したがっている【宇宙うちゅう共通きょうつうの3つの鉄則てっそく（ルール）】が存在そんざいします。

このルールを発見はっけんしたのが、今いまから約やく350年前ねんまえのイギリスにいた大天才だいてんさい科学者かがくしゃ、アイザック・ニュートンです！リンゴが木きから地面じめんに落おちるのを見みて「重力じゅうりょく」に気きづいたというエピソードでも有名ゆうめいですね。

ニュートンが見みつけた「運動うんどうの3大だいルール」を知しると、サッカーの強烈きょうれつなシュートの秘密ひみつも、巨大きょだいな宇宙うちゅうロケットが空そらへ飛とび立たつ仕掛しかけも、驚おどろくほどスッキリ見みえてきます。

さあ、科学かがくの目めを使つかって、身みの回まわりの「動うごくヒミツ」を解とき明あかしていきましょう！

はると

俺おれ、バスが急停車きゅうていしゃしたときに前まえの手てすりにつかまってギリギリセーフだったことがあるぞ！あれも科学かがくのルールだったのか！？

ひまり

ふふ、そうなのよ。はるとの体からだだけじゃなくて、サッカーボールも宇宙船うちゅうせんも、ぜんぶ同おなじルールで動うごいているの。知しると身みの回まわりの見みえ方かたがガラリと変かわるわよ！

止とまれない！動うごき出だせない！？「第だい1法則ほうそく：慣性かんせいの法則ほうそく」

ニュートンが見みつけた最初さいしょのルールは、「慣性かんせいの法則ほうそく」です。

漢字かんじが並ならぶと難むずかしそうに聞きこえますが、一言ひとことでいうと「物ものはみんな、今いまの状態じょうたいをずっと続つづけたい『なまけもの』である」というルールです！

物ものはすべて、外そとから力ちからを加くわえられない限かぎり、次つぎのような性質せいしつを持もっています。

1. 止とまっている物ものは、ずっとその場ばに止とまり続つづけたい！
2. 動うごいている物ものは、同おなじスピードでまっすぐ進すすみ続つづけたい！

この「今いままでと同おなじ状態じょうたいを続つづけようとする性質せいしつ」のことを「慣性かんせい」と呼よびます。

身近みぢかな実験じっけんや遊あそびで「慣性かんせい」を見みてみよう！

このルールは、身みの回まわりのいろいろなところで大活躍だいかつやくしています。

• だるま落おとし: 積つみ木きの一番下いちばんしたを木きづちでカツーン！と素早すばやく叩たたくと、叩たたかれたブロックだけが横よこに飛とび出だし、上うえのダルマは「その場ばに止とまっていたい」ので、そのままストンと真下ましたに落おちてきます。
• コップとコインの実験じっけん: コップの上うえにハガキを敷しき、その上うえに10円玉えんだまを乗のせます。ハガキを指ゆびでピン！と素早すばやく弾はじくと、ハガキだけがビューンと飛とんでいき、10円玉えんだまは「止とまっていたい」からコップの中なかにポチャンと落おちます。（※ハガキを素早すばやくピン！と強つよく弾はじくのが成功せいこうのコツ！ゆっくり動うごかすとコインも一緒いっしょに動うごいちゃうぞ）
• バスの急きゅうブレーキ: 走はしっているバスに乗のっているとき、あなたの体からだもバスと同おなじ時速じそく40キロで前まえに向むかって動うごいています。バスが急きゅうにブレーキをかけて止とまっても、あなたの体からだは「時速じそく40キロで前まえに進すすみ続つづけたい！」とするため、体からだが前まえへ投なげ出だされそうになるのです。

なぜ地球ちきゅうの上うえではボールが止とまるの？

ここで、ひとつの疑問ぎもんが浮うかびますよね。

「動うごいている物ものがずっと進すすみ続つづけたいなら、どうして運動場うんどうじょうを転ころがるサッカーボールは途中とちゅうで止とまっちゃうの？」

その答こたえは、地球ちきゅうの上うえにはボールの邪魔じゃまをする「見みえないブレーキ」が常つねに働はたらいているからです！ 空気くうきの邪魔じゃま（空気抵抗くうきていこう）や、地面じめんとボールがこすれ合あう力ちから（摩擦力まさつりょく）という別べつの力ちからが、ボールを無理むりやり止とめているのです。

もし、空気くうきも地面じめんの摩擦まさつもない「宇宙空間うちゅうくうかん」でボールをポーンと投なげたらどうなるでしょうか？

はると

宇宙うちゅうだとボールが永遠えいえんに止とまらないのか！宇宙うちゅうでサッカーのロングパスを出だしたら、何万なんまんキロも先さきまで飛とんでいって試合しあいにならないな！

ひまり

あはは、ボール拾ひろいが大変たいへんどころじゃないわね。地球ちきゅうに空気くうきや摩擦まさつがあるおかげで、ボールがちゃんと止とまってゲームが成立せいりつしているのよ。

強つよく押おすほどスピードUP！「第だい2法則ほうそく：力ちからと加速度かそくど」

第だい1法則ほうそくでは「力ちからを加くわえないと物ものはそのまま」というお話はなしでした。 では、「力ちからを加くわえたら」物ものはどうなるのでしょうか？

それを教おしえてくれるのが、第だい2のルール「力ちからと加速度かそくどの法則ほうそく（運動方程式うんどうほうていしき）」です！

これも難むずかしい言葉ことばに見みえますが、内容ないようは驚おどろくほど当あたり前まえのことです。大切たいせつなポイントは次つぎの2つです。

1. 加くわえる力ちからが強つよいほど、物ものはグングン急激きゅうげきにスピードアップする！（加速度かそくどが大おおきい）
2. 同おなじ力ちからなら、重おもいものほどスピードを上あげるのが大変たいへん！（加速度かそくどが小ちいさい）

サッカーボールと巨大きょだいな岩いわで比くらべてみよう！

あなたがグラウンドでサッカーボールを蹴ける場面ばめんを思おもい浮うかべてみてください。

足あしの先さきで「チョン」と弱よわく蹴けったら、ボールはノロノロとしか転ころがりませんよね。でも、助走じょそうをつけて力ちからいっぱい「ドカン！」と蹴ければ、ボールは目めにも止とまらぬ猛もうスピードでビュン！とゴールに突つき刺ささります。力ちからを大おおきくすればするほど、急加速きゅうかそくするからです。

では、もしグラウンドに重おもさ1トンの「巨大きょだいな鉄てつの岩いわ」が置おいてあったらどうでしょう？

サッカーボールと同おなじ力ちからで思おもい切きり蹴けっ飛とばしたら、どうなるでしょうか？ 岩いわはビクとも動うごかず、あなたの足あしが痛いたくてたまらないはずです！

物ものは重おもければ重おもいほど、「動うごかすのに必要ひつような力ちから」がとてつもなく大おおきくなります。 例たとえば、月曜日げつようびの朝あさに教科書きょうかしょやノートがパンパンに入はいった重おもいランドセルを背負せおって走はしり出だすとき、「体からだが重おもくてスピードに乗のるのに一苦労ひとくろうする！」と感かんじたことはありませんか？あれも全まったく同おなじ理由りゆうです！

中学校ちゅうがっこうや高校こうこうの理科りかでは、この関係かんけいを「力ちから＝重おもさ（質量しつりょう）×加速度かそくど」という式しき（F=ma）で学まなびます。 小学生しょうがくせいのうちは、「軽かるいものを強つよい力ちからで押おせば猛もうスピード！ 重おもいものを弱よわい力ちからで押おしてもビクともしない！」と覚おぼえておけば完かんペキです！

はると

俺おれが重おもい相手あいてディフェンダーを押おしのけてドリブル突破とっぱするのが大変たいへんなのも、この法則ほうそくのせいだったのか！

ひまり

ふふ、その通とおりよ！相手あいての体重たいじゅうが重おもいほど、動うごかすのに大おおきな力ちからが必要ひつようになるの。プロの選手せんしゅが筋きんトレをして強つよい体からだを作つくるのも、理りにかなっているわね。

壁かべを押おすと押おし返かえされる！？「第だい3法則ほうそく：作用さよう・反作用はんさよう」

ニュートンの3大だいルールの最後さいごを飾かざるのは、直感ちょっかんとはちょっと違ちがっていて一番いちばんワクワクするルールです。 その名なも「作用さよう・反作用はんさようの法則ほうそく」！

これをひとことで言いうと、「物ものをグッと押おすと、自分じぶんも全まったく同おなじ強つよさで押おし返かえされる！」というルールです。

「えっ！？ 壁かべはロボットでも人間にんげんでもないのに、押おし返かえしてくるわけがないじゃん！」と思おもいますよね。 でも実じつは、力ちからというものは宇宙うちゅうの中なかで「必かならず2つセット」でしか生うまれないのです。一方通行いっぽうつうこうの力ちからは、この世界せかいには絶対ぜったいに存在そんざいしません。

スケートボードに乗のって壁かべを押おしてみよう！

スケートボードやローラースケートを履はいて、壁かべの前まえに立たってみてください。

両手りょうてで目めの前まえの頑丈がんじょうな壁かべを「ドン！」と前まえに押おすと、一体いったい何なにが起おきるでしょうか？

壁かべはピクリとも動うごきませんが、なんとあなた自身じしんの体からだがスーッと後うしろへ滑すべり出だします！

あなたが壁かべを前向まえむきに押おした力ちから（作用さよう）と同時どうじに、壁かべからあなたへ「全まったく同おなじ大おおきさの力ちから」が後うしろ向むきに跳はね返かえってきた（反作用はんさよう）からです。

プールで泳およぐときも同おなじです。プールの壁かべを足あしで力ちからいっぱい蹴けると、その壁かべからの跳はね返かえりの力ちからをもらって、体からだが勢いきおいよく前まえへロケットスタートできますよね。

巨大きょだいな宇宙うちゅうロケットが空そらへ飛とべる秘密ひみつ！

この作用さよう・反作用はんさようのパワーを極限きょくげんまで使つかっているのが、みんなが大好だいすきな「宇宙うちゅうロケット」です。

ロケットは、地面じめんや空気くうきを押おして飛とんでいるわけではありません。自分じぶんのお腹なかの中なかに積つんである燃料ねんりょうを燃もやし、ものすごい勢いきおいでガスを下向したむきに噴射ふんしゃすることで、その「跳はね返かえりの力ちから」を使つかって宇宙うちゅうへと飛とび上あがっているのです。

私わたしたちが地面じめんをトコトコ歩あるけるのも、靴くつの裏うらで地面じめんを後うしろへ蹴けることで、地面じめんが私わたしたちの体からだを前まえに押おし返かえしてくれているからなんですよ！

はると

俺おれたちが地面じめんを走はしれるのも、地面じめんが俺おれの足あしを押おし返かえしてくれてるからなのか！地面じめんにも「いつも押おし返かえしてくれてありがとう」って言いいたくなるぜ！

ひまり

ふふ、素敵すてきな感謝かんしゃね！もし地面じめんが氷こおりみたいにツルツルだと、うまく地面じめんを押おせないから、押おし返かえしてもらえなくて滑すべって転ころんじゃうのよね。

まとめ

ニュートンが見みつけた「運動うんどうの3つの法則ほうそく」、いかがでしたか？ 最後さいごに、今日きょうのポイントをノートでおさらいしておきましょう！

サッカーボールを蹴けるとき、自転車じてんしゃに乗のるとき、バスに揺ゆられるとき。 私わたしたちの日常にちじょうのあらゆる瞬間しゅんかんで、ニュートンの法則ほうそくは休やすむことなく働はたらいています。

身みの回まわりの物ものが動うごく瞬間しゅんかんを見みつけたら、「あ、いま慣性かんせいが働はたらいた！」「作用さよう・反作用はんさようの力ちからだ！」と観察かんさつしてみてくださいね！

はると

今日きょうのサッカーの練習れんしゅうでは、地面じめんをしっかり蹴けって「作用さよう・反作用はんさよう」の反動はんどうをフルに使つかったスーパーシュートを打うってみるぞ！

ひまり

ふふ、ナイスシュートが決きまるといいわね！でもその前まえに、机つくえの上うえに置おいてある理科りかの宿題しゅくだいプリントを終おわらせておくのをお忘わすれなく！

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