3 年: 現代の物理へ

3 年では、現代の物理学の土台になる量子力学と統計力学を本格的に学びます。東京理科大学の物理学科では、量子力学 2 で水素原子のような 3 次元の問題を解き、角運動量やスピンへ進みます。統計力学 1・2 では、ばらばらに動く粒の集まりから、温度やエントロピーを導きます。

選べる科目も一気に増えます。同じ大学では、物性論・原子核物理学・素粒子物理学・量子光学・相対論などが 3 年の科目です。どの分野の講義が面白いと感じたかが、4 年の研究室選びの手がかりになります。

名古屋大学の物理学科でも、3 年に量子力学 II・統計物理学 II と、物理学実験 I・II が並びます。講義で学んだ量子と統計の考え方を、実験室で確かめる 1 年です。

量子力学では、電子のような小さな粒を、広がった波として扱います。その結果、ボールなら必ず跳ね返される壁を、電子がある確率ですり抜けることがあります。これをトンネル効果と呼びます。

東京理科大学では、2 年の量子力学 1 で、壁に当たった粒が通り抜ける割合(透過率)を 1 次元の問題で計算します。3 年の量子力学 2 では、同じ考え方を 3 次元に広げ、水素原子の中の電子がとびとびのエネルギーしか持てない理由を解き明かします。

トンネル効果は、原子を 1 個ずつ見る道具にもなっています。とがった針を物質の表面に近づけると、すき間をトンネル効果で電子が流れます。この電流を手がかりに表面をなぞるのが、走査トンネル顕微鏡です。日常の感覚と合わない法則が、最先端の道具を支えているのです。

3 年でつまずきやすいのは、量子力学の考え方に慣れることです。粒の位置が確率でしか決まらないことは、日常の感覚と合いません。はじめから言葉で納得しようとせず、具体的な問題を何問も解くうちに、式の意味が少しずつ見えてきます。

講義と学生実験が重なり、1 週間の予定がいちばん忙しくなる時期でもあります。実験のデータは、次の週を待たずにその週のうちに整理しておくと、発表やレポートの前にあわてずにすみます。

研究室に入る時期は大学によって異なり、3 年の後半から研究室の紹介が始まる大学もあります。面白いと感じた講義や実験の題目をメモしておくと、研究室を選ぶときの手がかりになります。