小さな窓に量子力学が隠されている？ですので、夜はカーテンを閉めることをお勧めします。

都市化が継続的に進展するにつれ、今日では高層ビルが一般的になり、住宅の高層化もますます進んでいます。退屈なとき、私と同じように多くのクラスメイトがいつも窓の外の賑やかな水辺や高いビルを眺めるのが好きなのだと思います。この時、昼間は他人の家の窓は真っ暗なのに、家に入ると照明がよくついていてとても明るいのに、外から見るととても暗いということに気づいたことがあるでしょうか。夜になると、窓から他人の家の内部構造がはっきりと見えます。そこで考えてみたのですが、日中の光の強さは夜間とあまり変わりません（日中の屋内の光の強さは100～500ルクス程度、夜間のLEDライトの光の強さは100～300ルクスです）。なぜ昼間に他人の家にあるものが見えないのでしょうか?

まず最初に、ここでは光の概念である反射について説明する必要があります。反射は鏡面反射と拡散反射に分けられます。光が滑らかな表面に当たると、光は一方向に反射されます。これが鏡面反射です。図 1 に示すように、光が凹凸のある表面に当たると、あらゆる方向に反射されます。これは図2に示すように拡散反射です。光が物体に当たると反射し、物体を通過すると屈折します。

ここまでで、反射とは何かを皆さんは理解できたと思いますので、次は新しい物理量である黒体についてお話します。名前が示すように、物体がさまざまな波長の入射電磁波を反射せずに完全に吸収できる場合、この物体は絶対黒体です。図4.1-1に示すように、空洞の壁には非常に小さな穴が開けられています。小さな穴に入った電磁波は、空洞の内面で何度も反射・吸収され、最終的には空洞から放射されなくなります。この小さな穴のある空洞は絶対黒体として近似できます。光も電磁波です。このことから、前の問題を説明することは難しくありません。窓はとても小さいですが、部屋はとても広いです。光が窓から部屋に入ると、多くの反射が起こり、部屋は非常に明るくなります。しかし、外部から見ると、光の多重反射と減衰により、部屋から反射される光はごくわずかです。つまり、このときの部屋はほぼ黒体とみなせるので、外から室内の環境が見えるわけではないのです。夜は、室内から光が放射されるため、窓から多くの光が目に入り、夜でも他人の家の中が見えるようになります。

黒体の物理量に戻りましょう。電磁波を反射することはできません（日中に部屋に入ってくる光は外に出ることができません）が、電磁波を外側に放射することはできます（夜に照明を点灯すると多くの光が外に出ることがあります）。この現象を「黒体放射」と呼びます。 19 世紀には、冶金学や恒星の温度測定などの必要性から、熱放射に関する多くの研究が行われました。当時、物理学者は熱放射の強度の分布を波長の関数として比較的正確に測定することができました。研究によれば、一般的な材料で作られた物体の場合、電磁波の放射は温度だけでなく、材料の種類や表面の状態にも関係していることがわかっています。しかし、黒体から放射される電磁波の強度は、波長分布の観点からは黒体の温度にのみ関係します。そこで人々は黒体放射の法則を研究し始めました。分光技術と熱電対などの機器を使用することで、黒体放射電磁波の波長ごとの強度分布を測定することができます。図4.1-2に示すように。図から、温度が上昇するにつれて、各波長の放射強度が増加することがわかります。一方、最大放射強度は波長が短い方向に移動します。

人々はこの法則を説明しようとしました。科学の発展には普遍的な法則を見つける必要があるため、科学者たちはこの法則を計算する方法を研究し始めました。当時の物理学の知識によれば、各荷電粒子の振動によって変化する電磁場が生成され、それによって電磁放射が発生します。したがって、科学者たちはニュートンの力学と電磁気学の基本原理を利用してこの理論的説明を導き出しました。

1896 年にドイツの物理学者ウィーンが、1900 年にイギリスの物理学者レイリーが、波長に応じた放射線強度の分布に関する理論式を提案しました。彼らが提案した公式は実験現象の一部しか説明できない。ウィーンの式は短波領域では実験に非常に近いですが、長波領域では実験から大きく外れます。レイリーの公式は基本的に長波領域での実験と一致していますが、短波領域での実験とは大きく矛盾しています。

人々が困惑していたとき、プランクは実験結果に完全に適合する公式を見つけました。その後、彼は電磁気学、力学、統計物理学、その他の分野を組み合わせて公式を導き出しました。彼は、荷電粒子によって生成される電磁放射のエネルギーは連続的ではなく部分的に存在する、つまりエネルギーは特定の最小エネルギー値の整数倍であると大胆に仮定しました。たとえば 1€、2€... この最小エネルギー値をエネルギー量子と呼び、その表現は次のようになります。

€=hv

ここで h は定数（プランク定数）であり、v は粒子の振動周波数です。 hの値はh=6.62607015*10-34J.Sです。

微視的な荷電粒子のエネルギー値に関するプランクの仮定は、巨視的な世界のエネルギーに関する私たちの理解とは大きく異なります。たとえば、バネ振動子はボールを平衡位置から押し出し、エネルギー E で振動し始めます。次回は、ボールをもう少し押し出して、たとえば 1.2E または 1.3E など、もう少し大きなエネルギーで振動させることができます。さらに押し出して、より多くのエネルギーを与えることもできます。バネ振動子のエネルギーは、必ずしもある最小値の整数倍ではありません。弾性限界内であれば、ボールを任意の位置に押し出すことができ、そのエネルギーは任意の値になります。

このことから、マクロなバネ振動子のエネルギー値は連続的であることがわかります。プランクの仮説では、微小粒子のエネルギーは量子化されている、つまり微小粒子のエネルギーは離散的であるとされています。これは、ミクロの世界とマクロの世界の物理法則の最も重要な違いの 1 つです。

したがって、1900 年のプランクの仮説は、初めて微視的世界の物理法則の一端を明らかにしました。それ以来、物理学は新たな時代に入りました。プランク自身はこの功績により1918年のノーベル物理学賞を受賞した。

プランクの大胆な仮説と証明は、物理学の新しい時代、量子力学の時代を導きました。彼は「量子論の父」としても知られています。小さな窓から量子力学のこんなに広大な世界が見えるなんて思いもしませんでした！プランクの物語は、過去に存在したさまざまな規則や規制に制限されてはならないことも教えてくれます。大胆な試みと革新を通してのみ、真の法則と価値を探求することができます。プランクはこう言いました。「科学の歴史は、一連の事実、規則、そしてその結果生じる数学的記述であるだけでなく、概念の歴史でもある。」新しい分野に参入する場合、新しい概念が必要になることがよくあります。

したがって、日中は窓を開け、夜はカーテンを閉めることを忘れないでください。同時に、私たちが生活の中の小さなことから科学を発見し、科学を発見する目を持つことができればと思います。