実際の物理学用語: 量子物理学における微小粒子

固有名詞を作成する場合の原則の 1 つは、物事の本質を明らかにしたり、最も重要な特徴を指摘したりすることです。新しいものが初めて現れたとき、科学者は当時の理解に基づいてそれに名前を付けます。しかし、科学の継続的な発展により、場合によっては当初の理解が正しくなく、使用される用語が誤解を招く可能性が高くなります。しかし、この用語は広く使用されているため、変更するのは容易ではありません。著者は物理学におけるいくつかの重要な用語を「綿密に研究」し、その意味を注意深く調べ、その背後にある深遠な物理的意味を探ります。

- 著者

著者：Chen Shaohao （マサチューセッツ工科大学、米国）

量子力学は20世紀物理学の最大の成果の一つです。量子力学には古典物理学には存在しない概念が数多くあり、その中には人々の直感に反するものさえあります。しかし、一見奇妙に見えるこれらの概念を導入することで、ミクロの世界における実験現象を正確かつ効果的に説明できるようになります。物理学者は量子力学に基づいて量子場理論をさらに発展させました。現代物理学では、量子場理論が微小粒子を記述するための基本理論となっています。

量子物理学における多くの概念は、人々が日常生活で見たり聞いたりするものとはかけ離れており、これらの概念を適切な専門用語で説明することは容易ではありません。この記事では、量子力学と量子場理論に基づいて、微小粒子に関連するいくつかの物理用語を調べ、それらの物理的な意味を探ります。

原子は分割できる

人々が日常生活で目にするマクロな物体は、原子や分子で構成されています。 19 世紀初頭、化学者ドルトンは、物質世界の最小単位は原子であり、化学変化によって原子は変化しないという原子論を確立しました。分子は化学結合によって結合した複数の原子で構成されています。化学反応の本質は、分子が原子に分解され、その後新しい分子に再結合することです。

原子を意味する英語の単語は Atom で、これはギリシャ語に由来し、その本来の意味は単一かつ分割できないということです。 「原」という漢字は象形文字で、もともとは川の源を意味します。後に「源」と表記されるようになった。 「元」という言葉の抽象的な意味は、始まりと原始であり、物事の始まりや起源を指しますが、原始的な物事を指すこともあります。たとえば、原材料とは、人間によって改変されていないものを意味します。中国語の「原子」と英語の「Atom」は同じ意味を持ちます。

20 世紀には、現代物理学の実験と理論の発展により、物理学者は原子が内部構造を持ち、分割できることを発見しました。原子は原子核と電子で構成されており、原子核が中心にあり、電子が原子核の周囲に分布しています。原子の物理的な意味は変化してきましたが、英語の「Atom」や中国語の「atom」という言葉は古くから広く使われており、現在まで使われています。

素粒子は分割できず、形を持たない

原子核も分裂することができます。原子核は陽子と中性子で構成されています。陽子と中性子はさらに細分化され、クォークで構成されています。クォークと電子は最も基本的な粒子です。物質を構成する最小の、あるいは最も基本的な単位は素粒子と呼ばれます。素粒子は分割できません。

図 1: 原子の内部構造。原子は原子核と電子で構成されています。原子核は陽子と中性子で構成されています。中性子と陽子はクォークで構成されています。

量子統計理論によれば、素粒子はフェルミオンとボソンの 2 つのカテゴリに分類できます。フェルミオンのスピンは半整数であり、ボソンのスピンは整数です。これらは、それぞれ物理学者のフェルミとボースにちなんで名付けられています (スピンとは素粒子の固有の特性であり、これについては後で説明します)。

素粒子物理学の標準モデルによれば、世界のすべてのものは 3 世代の基本フェルミオンで構成されています。たとえば、クォークとレプトンは最も基本的なフェルミオンです。電子はレプトンの一種です。英語のクォークの本来の意味はカモメの鳴き声です。発見者であるゲルマンは文学作品からインスピレーションを得て、この言葉を使って名前を付けました。 3 つのクォークが重粒子を構成します。バリオンは、その質量がレプトンよりもはるかに大きいことからその名が付けられました。陽子と中性子はどちらも重粒子です。クォークと反クォークが中間子を構成します。英語の「Meson」という単語は、中間を意味するギリシャ語の「Mesos」に由来しています。中間子の質量が電子と陽子の中間にあることから、発見者の湯川秀樹はこれを中間子と名付けました。

自然界には、強いものから弱いものの順に、強い相互作用、電磁相互作用、弱い相互作用、重力という 4 つの基本的な相互作用があります。相互作用を媒介する素粒子は「ゲージボソン」と呼ばれます。 「ボソン」はスピンが整数であることを意味し、「ゲージ」はヤン＝ミルズゲージ場理論に関係しています。

たとえば、グルーオンは強い相互作用を媒介する基本粒子です。 「接着剤」という言葉は、強い相互作用によってクォークがしっかりとくっついて重粒子や中間子が形成される様子を鮮明に表しています。したがって、重粒子と中間子は総称してハドロンと呼ばれます。原子核内の陽子は正の電荷を持ち、陽子間には電磁気的な反発力が存在します。陽子が「くっつく」のは、グルーオンによって伝達される強い相互作用によるものです。

光子も素粒子の一種です。光子の英語の単語は Photon で、これはギリシャ語で光を意味します。 1926 年、物理化学者のギルバート・ルイスが光の搬送体の名前として初めて「光子」という言葉を使用しました。その後、この用語は学界で広く採用されました。光は電磁波であり、最も一般的な電磁波であるため、光子という言葉の意味はさらに拡大され、物理学者は電磁相互作用を伝達する素粒子の名前としてそれを使用しています。

光子という言葉を聞くと、人はそれが粒子の性質を持っていると直感的に考えます。光子は粒子の性質を持っており、それは光電効果の実験によって確認されています。しかし、光子は波動性も持ち、これはヤングの二重スリット干渉実験によって確認されています。この波の特性は「光子」という言葉には反映されていません。著者は、電磁相互作用を伝達する基本粒子を「電磁気元素」と名付ける方が「光子」よりもその物理的な意味をよりよく反映していると考えています。

中国語の「粒子」という単語は、マクロの世界の固体粒子を容易に思い起こさせ、粒子には形があるということを直感的に考えさせます。電子はどんな形をしているのだろうと疑問に思う人もいるかもしれません。陽子はどんな形をしているのでしょうか？球形ですか？答えは、素粒子には形がないということです。

粒子を表す英語の単語は Particle で、これは分割できない基本単位を意味します。この基本単位がどのような形をしているのか、あるいは形を持っているかどうかは、粒子という言葉の意味とは何の関係もありません。量子場理論によれば、素粒子は量子場の最小のエネルギー単位です。これは抽象的な概念であり、マクロな物体のような特定の形状を持ちません。したがって、Particle を「粒子」に翻訳するよりも、「要素」(つまり、基本的なエネルギー単位) に翻訳する方が正確です。

原子軌道には軌道がない

ミクロの世界で多くの新しいものが発見されると、人々はそれに名前を付けるために、馴染みのあるマクロの世界から既存の用語を借用する傾向があります。科学の発展に伴い、人々は次第にこれらの事物の性質が本来の理解とは矛盾しており、本来の用語ではその真の意味をうまく表現できないことを発見しました。有名な例としては「原子軌道」が挙げられます。

マクロの世界では、物体はニュートンの力学法則に従って特定の軌道に沿って動きます。この軌道が決まると、通常は軌道と呼ばれます。たとえば、地球は楕円軌道で太陽の周りを回っています。ミクロの世界では状況は異なります。たとえば、電子が最初に発見されたとき、人々は古典力学のよく知られた概念に基づいて、電子の動きには軌道があると信じていました。地球が太陽の周りを楕円軌道で回っているのと同じように、電子も原子核の周りを楕円軌道で回っています。しかし、古典力学に基づくこのモデルには重大な欠陥があります。加速された荷電電子がなぜエネルギーを外向きに放射しないのかを説明できません。

量子力学が確立されてからは、電子は波動関数によって記述され、波動関数の係数は電子が空間に現れる確率を表します。原子内の電子は束縛状態にあります。これはミクロの世界における量子状態であり、マクロな物体の運動状態とは異なります。束縛された電子は「雲」のように原子核の周りに分布しており、明確な移動軌道を持ちません。水素原子を例にとると、基底状態電子の確率分布は球形であり、第一励起状態電子の確率分布はダンベル型であり、これは古典的な物体の楕円運動の軌跡とはまったく異なります。不確定性原理によれば、電子の位置と運動量を同時に測定することはできません。つまり、電子の運動軌道は不確定であり、軌道を持ちません。

このことから、電子の運動状態を記述するのに軌道を使用するのは不適切であることがわかります。 1932 年、化学者ロバート・マリケンは Orbit を Orbital に置き換えることを提案しました。この概念は広く受け入れられています。今日の英語の教科書や文献では、原子内の電子の運動状態を表すために「原子軌道」が使用され、「軌道」と略されます。中国語の文献では、「Atomic Orbital」は今でも一般的に「atomic orbital」と翻訳されています。 Orbital と Orbit の意味は同じではないことに注意してください。軌道は古典物理学における巨視的物体の運動軌跡を指します。 Orbital はもともと Orbit から派生した形容詞で、その本来の意味は軌道に関連するものを指します。ただし、「Orbital」が名詞として使用される場合、それは特に量子力学における原子軌道を指します。その本当の意味は、束縛電子の空間分布パターンであり、古典的な運動軌道とはまったく異なります。著者は、Orbital を「軌道」ではなく「結合モード」と翻訳する方が合理的であると考えています。軌道は、電子が宇宙空間に出現する可能性が最も高い領域としても理解できるため、一部の文献では「軌道」と翻訳されています。一部の文書では、Orbital を「軌道状態」と翻訳していますが、これは量子束縛状態を意味します。残念ながら、これらの主張はどれも広く受け入れられていません。

図 2: 水素原子の基底状態における電子。左: 古典物理学によれば、電子は原子核の周りを楕円軌道で回る小さな球体です。これは間違った画像です。右の画像: 量子力学によれば、電子には特定の形状はなく、明確な運動軌道もありません。代わりに、それらは「雲」のように核の周りに分布しており、球対称です。これが正しい画像です。

「原子軌道」という用語は中国語文献で広く使用されているため、混乱を避けるために以下でもこの用語を使用します。原子内の電子は軌道波動関数によって記述されます。軌道波動関数は、主量子数、角量子数、磁気量子数という 3 つの量子数によって決定されます。これらはそれぞれ、電子のエネルギー レベル、角運動量、軌道の向きを表します。角運動量量子数は 0、1、2、3 で、それぞれ s 軌道、p 軌道、d 軌道、f 軌道に対応します。これらの名前は、原子スペクトルの特徴的なスペクトル線、つまりシャープスペクトル、主スペクトル、拡散スペクトル、基本スペクトルの外観の説明に由来しています。

スピンは回転ではない

マクロの世界から借りてきてミクロなものを説明するもう一つの用語は「スピン」です。スピンとは、量子力学において誤解されやすい概念です。

1924 年、パウリは、2 つの電子が同時に同じ量子状態になることはできないとする有名なパウリの排他原理を提唱しました。この原理を有効にするために、パウリは「二値量子自由度」と呼ばれる電子の新しい自由度を導入しました。しかし、パウリはこの「自由度」に対応する物理的現実が何であるかを説明できなかった。

1925 年に、クローニッヒ、ウーレンベック、グードシュミットは、この自由度が電子スピンに対応すると提唱しました。古典物理学のイメージによれば、電子は回転すると角運動量を持ち磁場を生成する帯電球体として想像され、それによって外部磁場内で原子のエネルギーレベルが分裂するという実験的現象が説明されます。

しかし、マクロな物体の回転に基づくこの説明には大きな問題があります。巨視的物体の回転（英語ではスピンとも呼ばれる）は、地球の自転など、物体の特定の軸に対する回転運動を指します。その後、量子力学のさらなる発展により、理論と実験の両方で、素粒子（電子を含む）は軸を持たない分割不可能な点粒子であるため、マクロな物体の回転をミクロな粒子のスピンに直接適用することはできないと考えられるようになりました。

微小粒子のスピンは量子力学によってのみ説明できます。量子力学では、スピンは質量や電荷と同様に、素粒子の固有の特性であると考えられています。スピンの動作ルールは古典力学における角運動量のルールと似ており、磁場も生成できますが、古典力学における回転とは本質的に異なります。スピンとは、粒子自体が「回転している」という意味ではなく、粒子が「固有の角運動量」を持って生まれるという意味です。固有とは、スピンの値が粒子の種類にのみ依存し、外部の力によって変更できないことを意味します。スピンの値は量子化され、スピン量子数によって記述されます。例えば、電子のスピン量子数は 1/2 であり、光子のスピン量子数は 1 です。

スピンに似た概念はアイソスピンです。アイソスピンは強い相互作用に関連する量子数であり、陽子や中性子など、異なる電荷状態を持つ粒子を区別するために使用されます。アイソスピンとは、角運動量の単位を持たない無次元の物理量であり、したがって古典物理学における回転とは無関係です。数学的な記述がスピンと非常に似ているため、「アイソスピン」と呼ばれます。

著者について

シャオハオ・チェンは、清華大学で物理学の学士号と原子分子物理学の博士号を取得しています。彼はコロラド大学ボルダー校の博士研究員であり、ルイジアナ州立大学とボストン大学で勤務した経験があります。彼は現在マサチューセッツ工科大学で高性能コンピューティングに携わっています。

この記事は科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けています

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司

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