専門家が解説！日常の「これ、なんで？」を徹底解明

絶対零度に達する前に物質の動きが止まるという量子力学の不思議を取り上げてみましょう。

「これまじでなんでなん？」と言いたくなる現象の一つです。

絶対零度、つまりケルビン温度で0度、または摂氏で約-273.15度と定義されるこの温度では、従来の物理学においてはすべての物質の分子や原子の運動が停止するとされていました。

しかし、量子力学の世界では事情が異なります。

量子力学に基づくハイゼンベルクの不確定性原理によれば、粒子の位置と運動量を同時に正確に知ることは不可能です。

これは粒子が絶対静止状態になることを禁じており、絶対零度に達しても粒子はゼロポイントエネルギーを持ち続け、最小限度ですが動き続けることを意味します。

ではなぜこのような現象が起きるのでしょうか？
本質的には、量子力学の基本原則によって、自然界は完全な静止状態を許容しないということです。

粒子の挙動は波としても表現されるため、完全に位置が固定されるとその波動性が無限大になると解釈され、物理的に意味をなさなくなります。

したがって、ある程度の運動（ゼロポイントエネルギーの存在）が常に保たれるのです。

この現象は超流動や超伝導といった、極低温でのみ観測されるその他の奇妙な量子効果とも関連しています。

これらの効果は、絶対零度付近の物質の振る舞いが常識を逸脱する例として挙げられ、「これまじでなんでなん？」と疑問を投げかける絶好の題材を提供してくれるのです。

不確定性原理は、量子力学において粒子の位置と運動量を同時に正確に知ることはできないという原理です。

この原理により、絶対零度近くで起こる現象、特にゼロポイントエネルギー、超流動、及び超伝導における物質の振る舞いが説明されます。

まず、ゼロポイントエネルギーについてですが、これは量子力学の不確定性原理に基づく現象です。

絶対零度（-273.15°C、または0K）であっても、粒子は完全に静止することはありません。

不確定性原理によれば、粒子の位置が非常に正確に決定されると、その運動量（およびエネルギー）の不確かさは大きくなります。

このため、最低エネルギー状態でも粒子はゼロでない運動量（エネルギー）を持ち続けることになり、これがゼロポイントエネルギーです。

次に、超流動性ですが、これは極低温下で一部の液体が内部摩擦を失い、容器の壁を伝って漏れ出す能力を持つ現象です。

例えばヘリウム4が2.17K以下になると超流動性を示します。

超流動性はボース＝アインシュタイン凝縮と密接に関連しており、多数の粒子が量子力学的な波動関数を共有し、まるで一つの巨大な量子状態になったように振る舞います。

不確定性原理が量子力学的波動関数の幾何学的な形状に影響を与えることで、粒子間の衝突や摩擦を回避し、超流動現象が可能となります。

最後に、超伝導性についてです。

超伝導性は、ある臨界温度以下では抵抗が完全にゼロになり、電流が無損失で流れ続ける現象です。

この現象はクーパー対と呼ばれる電子のペアが形成され、全体として量子力学的に結合した状態となることにより起こります。

不確定性原理がここでも重要な役割を果たし、電子が互いに緊密に結合することによって、整然とした量子状態を形成し、この状態では電子が散乱されることなく物質を流れることができるのです。

これらの現象はすべて、不確定性原理が量子の世界での粒子の振る舞いに基本的な制約を課していることを示しています。

粒子の微細な振る舞いは、不確定性原理を通じてマクロな物質の特性に大きな影響を及ぼし、現代物理学で最も興味深い現象の一部を説明します。