難しい法則や公式もルーウィン教授の手にかかれば初心者にも分かりやすく物理学の魅力を伝えます。 １９世紀以前の物理学の事を「古典物理学」と呼ぶ事がある。 １９１１年にイギリスの物理学者ラザフォードは原子の質量のほとんどが原子の中心にあり周囲を回る電子はマイナスに帯電している。 電子が 原子核にくっつかないのは電子が 特定の軌道しかとれず特定のエネルギーしか持てないからだと。 電子は 決まった軌道から 別の決まった軌道に移動できるがこのように 物理量を連続ではなくとびとびの値で扱うのは「量子化」の考えだ。
この時も電子を 高い軌道に移動させるのに必要とした エネルギーの量は電子が 元の軌道に戻る時に放出する エネルギーの量と等しい。 そして この緑の光のエネルギーはおよそ ２電子ボルトになる。 低いエネルギー準位に移動する時にその電子が放出する光の色を調べ波長を調べればそれらの軌道のエネルギーを求める事ができる。 原子の中で 電子がとる事のできる最も低いエネルギー状態の軌道…そして 次の段階が これ。 あるいは 電子はこのエネルギー準位かもしれない。
アインシュタインは 金属の表面に光を当てると１９２３年 ルイ・ド・ブロイは「全ての粒子は 波の性質をあわせ持つ」という大胆な仮説を立てた。 でも ルーウィン先生が 分かりやすい実験で証明してくれるので講義の最後までお楽しみに！古典的な ニュートン力学では粒子の位置を とても正確に特定する事ができた。 これが 「ハイゼンベルクの不確定性原理」と呼ばれるものでしかし 今日に至るまで全ての実験はハイゼンベルクの不確定性原理に従っている。 では これから ハイゼンベルクの不確定性原理の方程式を黒板に書くとしよう。
運動量は 通常 ベクトルで表す。 そして 運動量ｐは 質量Ｍと速度νを掛けたものだ。 すると 不確定性原理はｙ方向でも成立する。 すると 不確定性原理はｚ方向でも成立する。 原則として 不確定性原理を主人公 トムキンスの夢に 教授が現れ不確定性原理について教える場面がある。 その中で 教授は トムキンスにそのビリヤードボールの質量は１キログラムだ。 「これで 運動量Δｐの値を不確定性原理で計算する事ができる。 それが ハイゼンベルクの不確定性原理の結果だ。
これは すごい事だ！ハイゼンベルクの不確定性原理が 電子に「動け！」と命令しているんだ。 電子は ハイゼンベルクの不確定性原理によって エネルギーを持っているのだ。 放出される色の光や エネルギー準位は量子力学の問題だ。 そして 原子の中で 電子がエネルギーを持っているという単純な現象も量子力学が説明してくれる。 しかし 何度も繰り返してきたように量子力学は 野球ボールや テニスのボールのような 日常的なスケールでは意味は持たない。 これがハイゼンベルクの不確定性原理だ。