前回、レーザーと言う技術そのものが量子力学によって

成り立っているという話をしました。

じゃあ、あの何でも切れそうな（実際は何でもは言い過ぎです）

アノ真っすぐなビーっと出る、レーザーがどのように

発生するのか？を説明してみます。

β(□-□ ) ﾌﾑﾌﾑ

因みに現在は２０Wと４０Wと５ｗ遠赤外線のモジュールを

付け替えられるダイオードレーザー加工機を使っています。

ヾ(*´∀｀*)ﾉ

構造的には、X軸Y軸（縦横）に自由に動けるレール上を精密に動き

レーザービームが出てくるモジュールと言うパーツ内部の小さな

半導体チップの中でレーザーが発生しています。

実は発生時のココから量子力学が深く関わっています。

ヾ(*´∀｀*)ﾉ

皆さんは昔、科学の授業で習った電子殻の話を覚えていますか？

物質は原子の沢山の集合体で出来てて、その目に見えない原子の中に

原子核が中心にあって、その周囲を電子が回って・・・

（実際には、習ったように軌道をグルグル回ってるのでは無いのですが）

その外周軌道には「K殻」「L殻」「M殻」があって・・・・

そんな風に習った筈。

厳密には量子の世界はもう少し違うのですが、今は割愛します。

基本は・・・その電子殻と言う軌道に居る電子は好きな場所に存在できず、

K層とL層の途中とかは無理で、必ず決められたエネルギー状態（層）にしか

存在できません。

私が習った昭和の物理科学では「ここには電子２個まで入れて・・・

なんか判らんけどそーなってるからテストに出るから覚えて！」っと

丸暗記レベルの雑な教え方だったのですが、実際は量子力学が

新たに発見した自然界のルールのひとつです。

（っと言うか、この未知の法則性の謎が量子力学の第一歩とも言える）

β(□-□ ) ﾌﾑﾌﾑ

ダイオードレーザーではレーザー発生モジュールに電流を流します。

するとモジュール内部の半導体の中へ大量の電子が送り込まれます。

電子はエネルギーを受け取り、高いエネルギー状態になります。

これが励起です。

・

ザックリ言うとある殻（層）に居た電子がエネルギーを得て、

あぶれたように、ひとつ外側の殻（層）にイレギュラー的に

ぴょんと飛び移ったようなイメージ。

しかし、ここで面白いのは電子は常に安定したいので、

その状態（層）に居られず、やがて元の安定した状態（層）へ

戻ろうとします。

すると、その際に余ったエネルギーを光として放出します。

β(□-□ ) ﾌﾑﾌﾑ

もしエネルギーが連続的なら、放出される光の色も離散し

バラバラになります。

しかし量子力学では電子が存在できる状態（層）が

飛び飛びながら、規則正しくキッチリ決まっています。

そのため励起状態から戻る時に放出されるエネルギーも

キッチリ決まっています。

結果として決まった波長の光が生まれます。

(￣~￣；)ｳﾑﾑ

青色レーザー（紫外線レーザー）が青く見えるのも、

赤色レーザー（赤外線レーザー）が赤く見えるのも、

使用している半導体材料によって電子のエネルギー差が違うから

出てくる波長の違いが特定の色として見えてます。

つまり色の違いは材料の違いであり、そのエネルギー差によって

放出される光の波長が決まる。その根本には量子力学があります。

・

しかし・・・・・レーザーになるには、まだ弱く一歩足りません。

普通なら電子はその都度バラバラに光を出します。

それを逆に発光源、照明として上手く利用したのがLEDです。

(´･ω｀･)ｿｳﾅﾉ?

でも、レーザーは細く強力に集束しないといけません。

レーザーでは、ある光子が近くの励起された電子に作用すると、

その電子は全く同じ光を放出します。

同じ色。

同じ方向。

同じタイミング。

まるで一人が歌い始めたら周囲が全員同じ声で合唱を始めるような現象です。

これを「誘導放出」と呼びます。

β(□-□ ) ﾌﾑﾌﾑ

放出した光が近くの励起状態の電子に作用し、その電子も全く

同じ光を放出する。その光がさらに別の励起電子に作用し・・・

誘導放出が連鎖的に起こることで、ドンドン光は増幅されていきます。

そして増幅された全く同じ無数の電子が、今度は半導体の両端に

作られた鏡状の反射構造の中を何度も往復しながら、さらに増幅されます。

合わせ鏡の片側が半透明になってる構造なので、十分に増幅され集束された

光だけが・・・ビーっ！！と外へ出てきます。

これがレーザーです。

ヾ(*´∀｀*)ﾉﾔｯﾄｶ････

・

つまり私が木材を彫刻しているレーザー光は、

① 電子が外部からエネルギーを受け取り励起状態になる

② 不安定な励起状態の電子が元の安定した状態へ戻ろうとする

③ その時、状態の差に対応した決まったエネルギーの光子（光）が

　放出される

④ その光子が他の励起状態の電子に当たると、全く同じエネルギー

　・同じ位相・同じ方向の光子を放出させる（誘導放出）

⑤ この現象が連鎖的に起こることで、大量の揃った光が増幅される

・・・・・という量子力学の法則の積み重ねによって生まれています。

レーザーでは、量子力学が許す「誘導放出」という現象によって、

全く同じ性質を持った光が次々と複製されていきます。

その結果、

• 色（波長）が揃う
• タイミング（位相）が揃う
• 進む方向が揃う

という、極めて特殊な光子（フォトン）＝「レーザー」になります。

だからレーザーは強いエネルギーを持ち、広がらずに

細い一本のビームとして飛び続けることができるのです。

・

励起と言う現象を作って安定したい電子が元に戻ろうとする

作用を利用して誘導放出を促し、出て来たクローン並みに

全く同じ光子を更に増幅させてソレがレーザーとして出てる。

そう言うプロセスです。

・

昔、習った電子殻・・・原子核の周りの軌道に電子が周回してて

「K殻には電子２個で、L殻には８個、M殻には１８個で・・・・」

なんで連続じゃ無くて、飛び飛びの値やねん！覚えにくい！

っと思ったと思うけど、その連続では無く飛び飛びの値・・・

っと言うのが、正に量子力学の法則なの。

ヾ(*´∀｀*)ﾉ

なぜ銀色に見える金属の中で金だけ黄金色に見えるのかも、実は

量子力学と相対論の合わせ技だったりしますし、今、説明した

レーザーが成立する仕組みも完全に量子力学の範疇です。

しかも、そのレーザーそのものが、量子力学の不思議さを身近に

感じさせてくれる存在でもあります。

・

実は・・・・量子の世界では、光子や電子は

私たちが普段考えるような、単純な粒子でも波でもありません。

(´･ω｀･)ｴｯ?

不思議なことに・・・観測すると粒子として振る舞うこともあれば、

波として振る舞うこともあります。「空想では無く現実に」です。

そして観測されていない間は、量子力学では波動関数によって

表される特殊な量子状態として存在しています。

・

映画マトリックスの世界のような妄想話のような・・・

ナカナカ私たちの日常感覚ではなかなか理解しにくい、不思議な

世界ですが、今も正確に計算出来て実証もされている事実。

・・どちらでもあって、どちらでもない・・想像も出来ないし直感とも

違うし、現実でもありえない事象なので、ナカナカ理解がムズイでしょう。

・

ところが実際レーザーでは、その作用で量子力学的な性質を持つ

粒子とも波長とも言えない量子状態の光子（フォトン）が

何千兆個もピッタリ揃った高エネルギー状態で飛び出しています。

そして、その光子（フォトン）の集団が、実際に木材を焦がしたり

切断したりしています。

つまりレーザー加工機を使うことで、

「量子力学でしか説明できない現象が、目に見える形で現実世界に

　作用している様子」を目で見て実際に利用しているのです。

量子力学というと、ミクロ過ぎて目には見えない、どこか空想じみた学者の理論

のように聞こえるかもしれません。

・

しかし学者の空論では無く、実際にスマートフォン、半導体、LED、レーザーや

GPSなど、現代技術の根幹を支えている理論です。

そしてレーザーは、その中でも特に分かりやすく、

「量子力学が現実世界で働いている姿を目で見せてくれる存在」

ってトコロがロマンに溢れてるし、正確に加工できるし

気に入って活用してるの。

ヾ(*´∀｀*)ﾉﾍﾗﾍﾗ

＊物理的には電子殻そのものではなく、半導体中の「価電子帯」と

「伝導帯」という量子状態の話です。

ただし根本にある「電子が飛び飛びのエネルギー状態しか取れない」

という量子力学の考え方は同じなので、今回は電子殻を例に説明しています。

(*´σｰ｀)ｺﾞﾘｶｲｦ

・

原子核には電子殻と言う軌道があり・・・・・

あの「こんなん覚えられるかっ！何の役に立つねん！」っとなったでしょうが

こう知識が繋がって来ると・・・そうだったのか！でしょ？

ひょっとして・・・世の中には、未知の法則があって連続っぽく見えるけど

ミクロで見ると・・・実は飛び飛びの値しか取れない？そう！

それが量子力学の一端。

鉄を溶鉱炉に入れて熱すると、ドロドロの赤色が、橙色になって、黄色になって

最後は白色に光る。ソレって連続的にジワジワ色が変化してると思ったら・・・

熟練職人が「温度が変わる度に色が変わるんだぞ。その色で温度を見極めるのが

職人技ってもんよ！」が・・・正に！本当に飛び飛びの値しか取れないの。

職人の感覚的な話では無く、量子力学的に本当に連続では無く飛び飛びだった。

っと実証され、今では物理化学でも一般的でフツーに理解されてます。

・

これ以外にも、量子力学って・・・まだまだ色々と直観では理解しがたい法則が

沢山あって面白い。シュレディンガーの猫とか二重スリット実験、そうそう

量子コンピューターってのも実現されて来ましたが、ミクロより小さい量子の

世界では知ってる常識とは全く違う、直観では理解し難い、浮世めいた話だけど

今のトコロ、計算は全て正確で実証もされてて、疑う余地のない、真実に

限りなく近い学問。ソコから導きだされるのは、この世の物体、人間も机も

原子の中はスカスカで、粒子でもあり波長でもある、掴みどころのない、

もやーっとした確率分布でしかない不思議なイメージ。宇宙もそれで出来ている。

古典力学しか学んでない我々では、もう何のこっちゃか？理解が追いつかない。

でも、ソレが今のトコロ、真実っぽい。

量子力学と言うのは面白い「この世は何ぞや？」を探求する学問で私も好きなので

また機会があればネタにします。

(￣~￣；)ｳﾑﾑ

摩訶不思議で掴みどころのない空論のような不思議な現象？でも、本当で

それが目で見て活用できるのがレーザーなの。やってる事は超強力な細い光で

焼き切ってるだけ？に見えるけど、じゃあレーザーって粒子の集まり？電磁波の

集合？いえいえ、どちらでもない量子状態の光子（フォトン）の集合体なの。

発生プロセスやその意味を知ると、何だかワクワクしませんか？

(* ´艸｀)ﾜｸﾜｸ

えーっと・・・以前から私はレーザー加工を良く使ってますがぁ・・

皆さん？レーザーって知ってますよね？

そう！あの細い光でビーっと切ったりするレーザー光線です。

まぁ・・・厳密には違うのですが、ザックリ言うとソレです。

(*´ω｀*)ﾊｲｯ!

じゃあ・・・そのレーザーって何でしょうか？

「いや・・・だから直線でビーっと出てるアレ」の正体。

気体？液体？個体？プラズマ？違いますよね？じゃあ光？

うーん・・・光よりもっと強くて・・の、お話。

・

以前にも話題にしましたが「量子力学」って面白いの。

簡単に言うと・・・・皆さんが小中高で学んだ物理化学は

「古典力学」っと言って・・・ザックリ言うと正確ではないの。

(´･ω｀･)ｴｯ?

話せば長くなるんですが、物質があって、物理法則があって・・

天文学があって、ニュートンの万有引力や古典物理学が発展し、

その後アインシュタインの相対性理論が登場しても、なお、

ミクロの世界では説明できない現象が残っていた。

１８～１９世紀までで既に人類は・・・・

世の中の物体は、ある種の法則性があって規則正しく、厳密に

計算すれば１００年周期の天体の動きすら予測できる。

ヾ(*´∀｀*)ﾉ

歴史上の名だたる学者が徐々に真理を紐解いて・・・・・

「もはや、人類は世の中の理（コトワリ）を全部解明したのでは？

もう世の中の全ての事柄は理解し、計算できるしもう全部把握したわｗ」

っと言ってから約２００年も判った風だったが・・・・

１９世紀後半になって、分子の中に原子があって・・・原子が

最小単位だと思ってたら、実は原子核の周りを電子がグルグル・・・

とは違うと判り・・・ミクロになればなる程、物理方程式では全く

計算が合わなくなってくる。

(´･ω｀･)ｱﾚ?ｱﾚﾚ?

「古典力学」それらは古くて間違っていたっと言うより・・・

技術が進んでめちゃ小さいミクロ（ナノ以下）まで見れるようになると

物理化学の方程式や今までの常識が全然通用しなくなってきて・・・

まぁ・・・ザックリ人間サイズなら経験則と「そのくらいアバウトな

方程式でも、だいたい計算できた。だけ」で本当は正確では無かったの。

Σ(￣ロ￣lll)ｶﾞｰﾝ

んで、ミクロの世界は我々の知る常識と全然違った。

(´･ω｀･)ｴｯ?

ザックリ言うと・・・映画マトリックスの世界観に似てる。

あー・・・機械が人間を支配し・・・の部分じゃなくて

この世は情報で構成されてて、実に曖昧で確定的ではなく

そう思ったら、その途端にそう決まる・・・みたいな

精神論？ファンタジー？に近い世界観。

マジに量子のミクロ世界では、物質は粒子であり波でもあるし、

どちらとも言えない重なったような状態で、確実に存在する物質ですら

全てが雲のようなもやーっとした確率分布で、しかも、物体を

すり抜けたり、波長になったり粒子になったりもする・・・・。

┐(´д｀)┌ﾊｧ?

何言ってんだ？頭でも狂ったか？意味不明？妄想？幻想？・・・

そう！殆どの人間が理解できない、例えようも捉えようもない。

実に不安定であやふや・・・が、この世の中だと判ったの。

((((；ﾟДﾟ))))ｶﾞｸｶﾞｸﾌﾞﾙﾌﾞﾙ

原子核の周囲を電子がクルクルと回って・・・・では無くて

本当は確率分布で雲みたいな位置不確定の存在でしか無かった。

その中心の原子核も陽子と中性子で・・・・の中は素粒子で

出来ててそれも粒子ではなくシュレディンガーの波動関数で

示せる事が判った。

(´･ω｀･)ﾊｧ?･･･

大事な事は「あー・・・そういう世界観もあるわよね？」とか

スピリチュアルな話では無くて・・・・・

この世の全て、今、目で見て触れるもの全てがマジのマジに

物体全てが波と言うか「全てが波動関数で記述される量子的な状態」で

しかなかったって事が判明したの。

原子の粒が集まったカッチリした物体・・・・では無かったの。

Σ(￣ロ￣lll)ｴｰｰｰｰｰｰｰｰｯ!ﾏｼﾞｶ?

今まで確実で正解だったと思ってた常識や物理方程式、すべての

学問が「エー？マジかよ？全然違ったじゃん？」っとなり、

本気で向き合い、その捉えようのない不確実に見える量子の世界を

徐々に理解し、検証し実験し、新しい量子の法則も沢山出来て・・・

（小さすぎて未だ肉眼では見えないが）もう誰も嘘とか疑わず

シッカリ確実にばっちり計算出来て証明できるようになった・・・・

のが、約１００年前。第二次世界大戦より前の、あのアインシュタイン

が生きてた時代に、ほぼ確立した学問。

戦後まもなくノーベル賞をとった湯川秀樹氏も量子力学の原子核の

中の中間子で、ですからね。

(´･ω｀･)ｴｯ?ﾏｼﾞﾃﾞ?

量子の法則を厳密に計算すれば、今まで古典力学では合わなかった

計算がぴったり正確に合い、今まで全ては連続性だと思われていたのが

非連続な飛び飛びの値しか取らなかったりした原因も究明できた。

つまり、古典力学で人類は、全て完璧に理解した風で・・・・

実はミクロの世界でアチコチ計算がズレて間違いに気づき・・・

目には見えないミクロな量子の法則を加え、よし！コレで合ってる！

っとなったのが実は今から１００年も前、白黒写真の時代なのｗ

・

っとなると・・・物理法則で計算出来ない事はない！っと完璧では

全くなかったし、我々が小中高で習ってた時には（今の学生含め）

本当は正確性に欠ける一世代前の古典物理を学んでた。っと言う事に

なる。っが！しかし・・・完全な間違いでは無くて、人間サイズで

日常生きていく中では、ほぼ正解と言える近似値で、実際役に立つから

全くの無駄では無いし、小中学でイキナリ量子力学は基本が無さ過ぎて

教える事も理解する事も出来ないから、まぁ妥協折衷とも言えます。

・

ただ、電子顕微鏡やMRI、ナノ、ピコレベルなら思いっきり関係するし

スマホやPCの電子機器、LSIやロケットや人工衛星などの分野も量子力学

が無ければ進まなかったりする。

空想や浮世ではなくマジに今ある目に見えるすべてのものの真理に

かなり近い学問で、殆どの人も恩恵は受けているのだが理解するまでに

至ってないだけの事。エンジンの仕組みが判ってなくても自動車に

乗れると同じです。しかし、エンジンの仕組みが判ってないと自動車は

作れない。そう言う位置関係です。

・

そしてミクロ（量子）とマクロ（宇宙）と言うのも切っても切れない関係で、

実は現在の宇宙論では、銀河や恒星の元になった種（タネ）は宇宙誕生直後の

「量子ゆらぎ」だったと考えられている。

つまり、原子より遥かに小さい量子の世界で起きた僅かな揺らぎが、

何百億年もかけて銀河になり、恒星になり、地球になり、我々の素になった

可能性があるのだ。

宇宙は量子のミクロ世界の超拡大世界のようだと言えるし、起源は量子ゆらぎに

関係してると考えられ、邪魔なモノが少ない分、ハッキリと明確に捉えられる

とも言える。実にロマンたっぷりな話でしょ。

・

量子力学は掘り下げると、まだまだ理解不能な現象があって面白いのだけど

（我々の感覚では理解が追い付かないだけで、量子力学自体は方程式含め

今でも研究が進められ確実に解明されつつありますが、それを我々では

直感的に理解できない意）

・・・・・・ココまででも疲れちゃったかと思いますが

実は冒頭の「レーザー」ってなんぞや？が、正に量子力学の一端が

「目で見えて実際に物質に影響する」正に典型例なの！

(´･ω｀･)ｿｰｲｳｺﾄ？

つまり、レーザービームって量子力学が無ければ、出来ていないし

レーザーと言う光エネルギーが発生するメカニズムも正に量子力学のソレ。

大雑把に言うと・・・・レーザーとは

波長も方向もバラバラの光を量子力学の励起現象を応用して

メチャクチャ規則正しくリズムも波長も足並みも軍隊行進並みに

ぴったり合った強烈な光なんですが・・・

光（光子）は、粒子でもあり同時に波長でもある。

(・・?ﾊｧ?

正に、長々説明した目に見えないミクロの事象＆法則の量子力学が

「はぁ・・・なんだか良く判らんけどミクロの世界はそうなんでしょうね？」

っと無理やり納得するしかない量子力学ですが、そのものの作用を

レーザー光として目で見えて、実際、レーザー光照射で触れられる物質を

実際に溶かしたり切ったり焦がしたりと、影響を及ぼしてる。

目に見えない量子力学と目で見える現実との「橋渡しの見本」みたいな事なの。

ヾ(*´∀｀*)ﾉ

んま、もっと現実的な整合性でレーザーを採用してるんだけど、取り立てて

レーザーと言うモノ自体が「量子力学で面白い分野だから好き」と言うのも

正直あります。

(*´σｰ｀)ｴﾍﾍ

この面白さを理解して貰うには色々な知識が無いと理解し難いのですが、

出来るだけ分かりやすく面白い部分が伝わればなぁ・・・っと思って書いてます。

・

ただ、量子力学と言う学問は「真理の解明」と言うか「この世は何で出来ている？」

に近い学問なので、知識や認識に多少の違いがあるし、とても一般常識では

掴みどころのない空想チックな話に思われやすい。私は専門家では無いし、

所詮は高卒のオッサンが興味本位で独学で学んだ程度のへっぽこ知識です。

なので、物理的視点で突っ込みどころ満載だったり語弊が生じるリスクが

あるかも？ですが・・・寛大に見守ってくだちい。

(*´σｰ｀)ｴﾍﾍ