ニールス・ボーアは、物理学の特別な分野である量子力学の先駆者の一人として知られています。このデンマーク出身の物理学者は、科学のみならず政治の世界においても、類まれな忍耐力と鋭く機敏な頭脳の持ち主でした。本記事では、コペンハーゲンが生んだこの影響力ある思想家に「架空インタビュー」を行います。
原子の内部構造を見抜いた男
ボーアは、自然の最小の構成要素――原子の内部構造を形作る粒子――を記述するには、私たちの身の回りの「大きな」世界とはまったく異なる法則が適用されるべきだと、最初に気づいた人物です。
先駆的な科学研究に加えて、彼は熱心なスポーツマンでもあり、特に晩年には核兵器のない世界の実現に力を注ぎました。
科学との出会いは父親のサロンから
ボーアさん、あなたは20世紀で最も影響力のある科学者の一人と呼ばれていますね。初めて科学の世界に触れたのはいつですか?
「それは父の週例ディスカッションクラブのおかげです。父はコペンハーゲン大学の医学教授でした。毎週金曜日の夜、さまざまな分野の科学者たちが我が家を訪れ、科学のあらゆる側面について高度な議論が交わされていました。弟のハラルドと私はその場に同席することを許されていました。すべてを理解できたわけではありませんが、実に興味深かったですね。さらに、政治に関する進歩的な考え方でも育てられました。今でも父に感謝しています」
キャリアを一変させたラザフォードとの出会い
弟のハラルドは1歳半年下ですが、数学で早く卒業し、博士号も先に取得しました。しかし、あなたの博士号取得後、キャリアは一気に花開きました。どうしてそうなったのですか?
「1912年、優れた実験物理学者アーネスト・ラザフォードに出会いました。アルファ粒子の実験の後、彼は原子が正電荷を持つ原子核と、その周りを回る電子から構成されると提唱しました。いわば小さな太陽系です。しかしそのモデルには大きな問題がありました。原子核の周りを動く粒子は、ほぼ瞬時にエネルギーを失って原子核に衝突してしまうはずなのです。つまり、ラザフォードの提案した原子は不安定だったのです。さらに、このモデルは各元素が固有の光スペクトルを持つ理由も説明できませんでした。私は2年後にその問題を解決してみせました!」
実験で証明できない理論への挑戦
1911年の博士論文『金属の電子論に関する研究』の中で、古典物理学は原子レベルではもはや適切ではないと書かれていますね。まったく別の方向で解決策を探していたのですか?
「その通りです。こう考えてみてください。電子は原子核の周りの任意の軌道を取れるわけではなく、固定されたエネルギー準位にだけ存在できるのです。電子がエネルギーを吸収すると、一時的に高いエネルギー準位へ移ることができます。そして元に戻るとき、光の粒子(光子)の形でエネルギーを放出します。この遷移は『量子跳躍』と呼ばれます。私の理論を実験で検証することは不可能でしたが、原子の固有の光スペクトルを説明し、原子が実際に安定している理由も説明できたのです」
実験による裏付けのない理論?20世紀初頭としては大胆すぎます…
「確かに!それについては何時間でも語れますよ。実験的証拠はありませんでしたが、私の理論は他の方法では説明できないあらゆる現象を説明できました。私の解決策は機能したのです。それが重要でした!ところで、テレビで大事なサッカーの試合があるので、インタビューを進めましょう」
熱狂的なサッカー選手
スポーツマンなんですか?
「私は何よりも熱狂的なサッカー選手です。母国デンマークの名門クラブの一つ、アカデミスク・ボルトクルブで長年ゴールを守ってきました。残念ながら代表チームでプレーする機会はありませんでしたが、弟のハラルドは代表です。1908年のオリンピックで銀メダルを獲得したデンマーク代表でプレーしました。
ちなみに天気が良い日は、家族のヨット『チータ』で過ごすのも好きです。妻マルグレーテと息子たちと水上で過ごした日々は素晴らしかった…あまり長く話すのはやめておきましょう。感情が高ぶってしまうので。長男はセーリング事故で亡くなりました。だから科学の話に戻りましょう。幸い、他の息子たちは順調でした。もう一人の息子のオーゲ・ボーアも成功した物理学者だとご存じですか?時々、彼がノーベル賞を受賞する姿を夢に見ることもあるんです…」
ノーベル賞受賞とコペンハーゲン研究所
なるほど、それは十分ありえますね。あなた自身も1922年に原子構造と放射の研究でノーベル賞を受賞しています。詳しく教えていただけますか?
「ご覧ください、単純な水素原子は、周りに電子を1つだけ持つ原子核からできています。この場合、固定されたエネルギー準位と量子跳躍という考え方はまだ扱いやすいものです。しかし、より多くの電子を持つ原子になると、たちまち極めて複雑になります」
「1913年から1922年にかけて、私は主に、複数の電子が原子核の周りを回る原子についてのアイデアを発展させることに取り組んでいました。例えば、いくつかの複雑な原子では最外殻電子が楕円軌道を描くことを発見しました。最終的に、周期表に基づく元素の性質を量子論で説明できるようになったのです」
「今思えば、良い時代でした。特に1922年にコペンハーゲンに自分の研究所、ニールス・ボーア研究所を設立し所長になったときは。そこで私たちは、量子論が正確には何を意味するのかを本格的に探究し始めました。原子スケールでの粒子の奇妙な振る舞いは、当時まったく新しいものでした」
光は粒子か、波か
コペンハーゲンであなたと同僚たちが直面した問題は何でしたか?
「いろいろな問題がありましたが、最大の問題は、私たちが主に光を電磁波として理解していたことです。その数年前に、偉大なアルベルト・アインシュタインが、光にも粒子の性質があることに気づいていました。量子跳躍の際に放出される光子は明らかに粒子の性質を持っていました。では、光は粒子なのか波なのか?両方が可能に思えました。若い同僚ヴェルナー・ハイゼンベルクは光の振る舞いを粒子として記述する理論を考案し、オーストリアのエルヴィン・シュレーディンガーは波動現象に対する等価な公式を与えました。二つの理論、どちらもまったく異なる現実を記述しているように見えたのです。当初は私たちにも理解できませんでした!」
あなたの研究所の屋根裏部屋に住んでいたハイゼンベルクを、夜中に起こしてこの問題を議論していたのは本当ですか?
「本当です。二人とも我慢できませんでしたから!結局、それぞれ独自の解決策に行き着きました。ハイゼンベルクは有名な不確定性原理を考案しました。これは、量子粒子――例えば光子――のすべての性質を同じ精度で測定することは決してできないというものです。位置を正確に測れば測るほど、速度は不正確にしか測れません。同様に、粒子としての側面を測定すれば、波としての側面に関する情報はすべて失われるのです。
ハイゼンベルクのアプローチは純粋に数学的原理に基づいていました。しかし私は、量子力学には重要な哲学的含意もあると考えています。私の解釈では、私たちの認識とは独立した現実は存在しません。観察される現象と測定器は、いわば一体をなしているのです。光子や電子は――実験次第で――波にも粒子にもなり得ます。私はこれを相補性と呼んでいます。波の性質と粒子の性質は互いに補完し合いますが、同時に観測することは決してできないのです」
「一般に言えば、粒子は――測定される前は――可能な性質の確率波であると言えるでしょう。そして、粒子について何かを言えるのは確率計算の形でのみなのです」
アインシュタインとの論争
その後、批判を受けたこともあったと思いますが…
「ええ、少なくありません!アルベルト・アインシュタインは私たちの『コペンハーゲン解釈』に同意しませんでした。つまり、彼は量子力学を自然の完全な記述とは見なしていなかったのです。彼を最も悩ませたのは、認識から独立した現実が存在しないという考えでした。彼はあらゆる種類の思考実験によって、量子力学が完全ではないことを示そうとしました。私はそれらの実験を一つひとつ反論することができました。でも、あなたはこの連載で既に彼に話を聞いているでしょうから、彼自身の言い分はもう聞いているはずです」
彼の話はもう有名ですね。ところで、2012年になってもあなたのコペンハーゲン解釈が物理学者の間で広く支持されていることを喜ばしく思いますよ
「素晴らしい!あの奇妙な量子世界についての私の解釈が最良だったと確信していましたから!」
マンハッタン計画と核兵器なき世界への願い
あなたは原爆製造を目指したアメリカのマンハッタン計画に関わっていたと言われています。なぜそんなことをしたのですか?
「私は1943年、ナチスの占領から逃れてデンマークを去りました。その後スウェーデン経由でイギリスにたどり着き、後にアメリカへ渡りました。核軍拡競争を防ぎたかったからです!爆弾の開発に私が必要だったわけではありません。ルーズベルト大統領と会談し、核兵器が人類にとって極めて危険な状況をもたらすことを指摘しました。核兵器はすべての国に等しい脅威をもたらすため、それを使用しないという世界的合意に達する絶好の機会を提供するのです。
そのような合意の条件は、当然ながら科学情報への自由なアクセスでした。私の理想とする開かれた世界こそが、軍拡競争を防ぎ得たのです。残念ながら、指導者たち――ルーズベルト、そしてとりわけイギリスのチャーチル首相――は別の考えを持っていました。結果はご存じの通りです」
1941年、ハイゼンベルクとの会見
1941年のコペンハーゲンでのハイゼンベルクとの会見について何かお話し願えますか?彼がドイツのために核兵器開発への協力を説得しようとしたという噂がありますが
「そうですね、近年多くの人に尋ねられてきましたが、私は二度とそれについて口を開かないと決めています…」
では、週刊誌の歴史的再現に頼るしかありませんね。あの再現は良いと思いますか?
「申し訳ありませんが、それについても本当に何も申し上げません」