不確定性原理

私たちが物の位置や動きを見るためには、光（光子）がその物体に当たって跳ね返り、目に届く必要があります。日常で見かけるサッカーボールや車なら、光の粒が何億個ぶつかろうともビクともせず、そのまま進みますよね。そのため日常規模の物体では、この限界があまりに小さすぎて実感できません。

しかし、電子のように目に見えないほど小さく軽いミクロの世界では、まったく別のことが起こります。電子の位置を確かめようと光の粒をひとつぶつけた瞬間、光の衝突ショックで電子が弾き飛ばされ、速度が変わってしまうのです。

位置をより精密に見ようとすれば、エネルギーが高く波長の短い光を使う必要があります。しかし、そのような光は電子に対してさらに大きな反動を与えてしまいます。しかも、光がどの方向に跳ね返ったのか正確には分からないため、電子が受けた反動の大きさも分からなくなります。こうして電子の速度があいまいになってしまうのです。

これはハイゼンベルクが最初に提示した直感的な説明です。しかし本当の理由は、次のセクションで見るように、測定する前からすでに存在しています。測定による乱れは、その性質が現れる一例にすぎないのです。

よく「測定器の性能が未熟だから起きる問題」だと誤解されがちです。顕微鏡の技術が目覚ましく進歩すれば、いつか両方を完璧に測定できる日が来るのではないかと期待する人もいます。しかし、これは測定精度の問題ではなく、宇宙そのものの本質なのです。

ミクロの世界の粒子はすべて、小さな粒（粒子）であると同時に、揺らめく波（波動）の性質をあわせ持っています。波をイメージしてみてください。湖全体に広がる波は「今まさにこの座標にある」と指し示すことができません。その代わり、波の間隔（波長）を測れば粒子の運動量、つまり速度が分かります。

逆に、波を一箇所に狭く閉じ込めると粒子の位置ははっきりしますが、さまざまな波長が混ざり合って速度ははるかに不確かになります。つまり、粒子が波の性質を併せ持っているからこそ、位置と速度はもともと同時にカチッと決まっていないのです。

このように、不確定性は人間の技術不足のせいではありません。自然界がミクロの世界を形づくる際に、根本に刻み込んだ基本ルールなのです。

不確定性原理は、実験室の中だけの不思議な話ではありません。実は、原子が一定の大きさを保っていられる理由を解き明かす重要な鍵なのです。

原子の中心にはプラス（+）の電気を帯びた原子核があり、その周りをマイナス（-）の電気を帯びた電子が回っています。古典物理学の法則に従えば、原子核の周りを回る電子は光（電磁波）を放出してエネルギーを失い、一瞬で原子核へと墜落してしまうはずです。そうなれば、宇宙にあるすべての原子はペシャンコに潰れて崩壊してしまいます。

しかし、電子が原子核のすぐ近くの狭い空間に閉じ込められるほど、位置の不確かさは小さくなります。不確定性原理によれば、その代償として運動量の幅が広がり、電子の運動エネルギーが急激に跳ね上がります。

そのため、電子は原子核にくっついてしまうことなく、エネルギーが最も安定する適度な距離で雲のように広がります。このバランスによって原子の大きさが決まるのです。なお、物質が硬さを保ち、原子同士が重なり合わないことには「パウリの排他原理」も関わっています。