原子は、物質を構成する基本的な要素です。 本にも載っていますし、皆さんも学生時代に描いたことがあるかもしれませんね。 原子の形はあんなに丸いのでしょうか？
The Actual Picture Of an Atom
私たちは、すべてを視覚化したがる存在です。 光を光線で見たり、愛のような抽象的な量を行動で見たりしたいのです。 私の考えでは、視覚化することで何かの存在が保証されるのかもしれません。
だからこそ、アルバート・アインシュタインがブラウン運動の統計的解釈によって原子を可視化するまで、原子の概念は捨てられていたのです。 そうです。 原子は、数学的には存在します。 しかし、原子の実際の姿は、そのミニチュア性のために不明瞭なままだったのです。
原子とはどのようなものか
原子とは、あらゆる物質を構成するものです。 ですから、ある意味では原子を見ていることになります。 あなたも原子の塊ですよね？
原子の大きさは、1メートルの100億分の1から1000億分の1くらいです。 そのため、個々の原子を可視化することは、現代のテクノロジーが暗示するように不可能ではなく、やや困難な作業です。 しかし、電子顕微鏡が開発されてからは、実際に原子の写真を撮ることができるようになりました。
原子は点状の物体です。 紙の上の点はほぼ円形で、3次元空間では球体です。
また、何億分の1メートルも離れた物体を見分けることができる非常に解像度の高い顕微鏡があれば、点や球体を見ることができます。 将来的にはもっと細かいところまで見られるようになるかもしれませんが、今はただの球体です。
原子は完全な球体か
これまでに撮影した写真では、原子は球体でした。 学校の授業でも、原子は球形であると教えられてきましたし、デモンストレーションでも、球形のビリヤードボールのようなものが原子として登場しました。
ある種の近似性においては、この原子の絵は正しいのです。 歪みがある場合もありますが、簡単にするために無視してもよいでしょう。
可視化の難しさ
原子の大きさは非常に小さいです。 そのため、映像化するにはさまざまな困難があります。 通常の可視光は、波長が原子の大きさよりはるかに大きいので、原子を見ることはできません。 通常の可視光は原子の大きさよりもはるかに大きな波長を持っているため、原子を見ることはできません。
電子顕微鏡でも原子を見ることができますが、やはり分解能に限界があります。
電子顕微鏡でも原子を見ることができますが、分解能に限界があります。
原子の世界がイメージしにくいのは、その大きさだけではなく、その奇妙さが事態をさらに複雑にしています。 原子の中の電子は、粒子であると同時に波のように振る舞い、ハイゼンベルグの不確定性というものが存在します。 つまり、現実の物体を見るように原子を見ることは、まったく不合理なことなのです。
原子の実像
原子は実際には私たちには見えません。 私たちが見ている光である可視光では、原子のイメージを解消することはできません。 ですから、原子の実像は数学的なものなのです。 物理学者にとって数学は唯一の感覚であり、数学的な絵こそが原子の真の姿なのです。
それによると、電子は原子核の周りにいて、それぞれが一定の状態にあり、波動関数という数学的な関数で表されます。 電子に限らず、量子粒子はすべて波動関数で表すことができます。 波動関数には、粒子に関するすべての情報が含まれており、それに関連した値を測定したい場合は、それに関連した演算子を使用します。
同様に、原子核内の粒子である中性子や陽子も、このような状態関数で表すことができます。
同様に、原子核内の粒子である中性子や陽子も、このような状態関数で表すことができます。 それらをより正確に計算できれば、解像度も高くなります。 原子の絵はこんな感じで、ただ計算するだけです。結局のところ、見ることは測定することでもあるのです。