トンネル効果とは？壁をすり抜ける量子をわかりやすく解説

※本記事にはアフィリエイト広告（PR）が含まれています。Amazonのアソシエイトとして、soichiezoe.comは適格販売により収入を得ています。

SF映画で壁をすり抜ける場面を観たあと「トンネル効果」を調べ、数式だらけの解説に3分で挫折したことはないでしょうか。

「結局、本当に壁は通れるの？」というモヤモヤだけが残っていませんか。

結論から言うと、量子トンネル効果が壁をすり抜ける仕組みは「粒子が波の性質を持つから」の一言に集約できます。

理学部物理学科で量子力学を学んだ立場から、数式を使わずに比喩と数字だけで説明します。

読み終えるころには、太陽が輝く理由や電子部品とのつながりまで、自分の言葉で話せるようになります。

今回の記事の内容

• トンネル効果の仕組みを比喩と数字で理解する
• 太陽の核融合やトンネルダイオードとの関係
• 映画やアニメの壁すり抜けはどこまで科学的か

トンネル効果とは「越えられない壁の向こうに粒子が現れる」現象

トンネル効果とは、壁を越えるだけのエネルギーを持たない粒子が、一定の確率で壁の向こう側に現れる現象です。

ここでいう「壁」は、コンクリートのような物体ではありません。

物理学では、粒子を押し返す力が働く領域を、エネルギーの山にたとえて「壁」や「障壁」と呼びます。

ボールなら必ず跳ね返される

坂の上の峠に向けてボールを転がすと、勢いが足りなければ途中で止まり、必ず転がり戻ってきます。

私たちが日常で目にする物体は、この「足りなければ戻る」というルールに例外なく従っています。

電子は波として壁にしみ込む

一方、電子のような極めて小さな粒子は、粒であると同時に波としてもふるまいます。

量子力学の波は「その場所で粒子が見つかる確率」を表していて、壁の中に入ると急速に小さくなりますが、すぐにはゼロになりません。

壁が十分に薄ければ、弱まった波が反対側まで届き、そこで粒子が見つかる確率が残ります。

日常の比喩は「薄い壁越しに漏れる音」

イメージに近いのは、アパートの薄い壁越しに隣の部屋の話し声が小さく聞こえてくる感覚です。

壁が厚くなるほど音は弱まり、分厚いコンクリートならほとんど聞こえなくなります。

ただし音は振動が壁を伝わる現象で、トンネル効果とは仕組みが違うため、あくまで「波は壁で急にゼロにならない」という点だけの比喩です。

数字で見るトンネル効果｜壁の厚さと重さで確率は激変する

トンネル効果が起こる確率は、壁の厚さと粒子の重さによって桁違いに変わります。

ここでは、電子のエネルギーが壁の高さより1電子ボルト（電子のエネルギーを測る小さな単位）だけ足りない場合を目安として考えます。

0.1ナノメートル厚くなるごとに約3分の1

この条件では、壁が0.1ナノメートル（1ミリの1000万分の1）厚くなるごとに、通り抜ける確率はおよそ3分の1に下がります。

壁の厚さが1ナノメートルになると、3分の1を10回掛けることになり、確率は約2万8千分の1まで落ちます。

これは確率の大まかな目安で、壁の形や細かい条件によって実際の値は変わります。

重い粒子ほど通り抜けにくい

陽子は電子の約1,800倍の重さがあり、同じ条件でも通り抜ける確率は電子と比べものにならないほど小さくなります。

重い粒子ほど波が壁の中で早く弱まるため、トンネル効果が目立つのは電子のような軽い粒子に限られます。

同じ量子の不思議でも、離れた粒子同士が結びつく現象は量子もつれの解説で扱っています。

よくある誤解｜トンネル効果は壁を壊して通るわけではない

トンネル効果は名前から「穴を掘って通る」と思われがちですが、壁には何の傷も残りません。

誤解1: 壁に穴を開けて通り抜けている

粒子は壁を削ったり押しのけたりせず、壁はそのままの形で残ります。

「トンネル」は、山を越えずに向こう側へ出られる様子をたとえた呼び名にすぎません。

誤解2: 一瞬だけエネルギーを借りて山を越えている

入門書で見かける「エネルギーを一時的に借りて越える」という説明は、直感をつかむための簡略化です。

標準的な量子力学の計算では、波が壁の中で弱まりながら届く、という説明で現象を再現できます。

誤解3: 確率が低いだけなので人間もいつか通れる

理屈の上で確率がゼロでないことと、現実に起こりうることは別の話です。

人間がまるごと壁を通り抜ける確率は、宇宙の年齢である約138億年を何度繰り返しても起こらないと考えてよい水準です。

人の体は10の27乗個を超える原子でできていて、そのすべてが同時に一つの波としてそろうことは考えにくいとされています。

太陽の核融合とトンネルダイオード｜トンネル効果が支える身近な現象

トンネル効果は実験室の珍しい現象ではなく、太陽の光や電子機器の仕組みを支えています。

太陽が輝けるのはトンネル効果のおかげ

太陽の中心は約1,500万度ですが、プラスの電気を持つ陽子同士は強く反発し合い、この温度では力ずくで近づけません。

古典的な計算では、反発を正面から越えるには数十億度以上が必要とされています。

実際には陽子が反発の壁をトンネル効果で抜けることで、より低い温度でも核融合が少しずつ進むと説明されています。

1回あたりの確率はごく小さくても、太陽には膨大な数の陽子があるため、全体として輝き続けられるわけです。

トンネルダイオードと日本人のノーベル賞

1957年、江崎玲於奈氏は半導体の中で電子がトンネル効果を起こす現象を確かめ、トンネルダイオード（エサキダイオード）を生み出しました。

この業績により、江崎氏は1973年にノーベル物理学賞を受賞しています。

原子を見る顕微鏡と記録用メモリ

走査型トンネル顕微鏡は、針と物質の表面の間を流れるトンネル電流を測ることで、原子1個ずつの並びを画像にできます。

USBメモリなどに使われるフラッシュメモリも、代表的な方式では薄い絶縁膜を電子がトンネル効果で通ることを利用して書き込みや消去をしています。

逆に、部品の微細化が進むほど意図しないトンネル効果で電流が漏れやすくなり、半導体開発の大きな課題になっています。

映画やアニメの「壁すり抜け」はどこまで科学的か

映画やアニメで描かれる壁すり抜けは、トンネル効果を下敷きにした発想としては面白い一方、人や物が通る点で完全に創作の領域です。

幽霊映画の「すり抜け」との違い

幽霊が壁を通り抜ける描写は、映画では「この世のものではない」ことを観客に一瞬で伝える定番の演出として使われてきました。

演出としては、物理の法則が通じない存在だと示すこと自体が目的なので、科学的に正しいかどうかを問う必要はないと私は考えています。

アニメのひみつ道具「通り抜けフープ」との比較

『ドラえもん』の「通り抜けフープ」は、壁に貼ると輪の内側を通って向こうへ行ける道具として描かれています。

確率に頼らず、いつでも確実に通れる点が、トンネル効果とはまったく違うところです。

トンネル効果は「通れるかどうかは確率次第で、狙って通ることはできない」現象だからです。

科学と創作の線引き

科学的に正しいのは「ごく小さな粒子が、ごく薄い壁を、ある確率で通り抜ける」ところまでです。

人や物が意図して通り抜ける部分は、量子の不思議さを手がかりにした想像の飛躍だと線を引いておくと、作品も物理もより楽しめます。

量子の世界を題材にした話では、観測が結果を左右するというシュレーディンガーの猫も合わせて知っておくと理解が深まります。

まとめ

トンネル効果は、粒子が波の性質を持つために、越えられないはずの壁の向こうに一定の確率で現れる現象です。

確率は壁の厚さと粒子の重さで桁違いに変わり、目立つのは電子のような軽い粒子とごく薄い壁の組み合わせに限られます。

それでも、太陽の輝きも身近な電子機器も、この小さな確率の積み重ねに支えられています。

配信で観るなら: 人気の映画・ドラマ・アニメが見放題【Amazonプライム・ビデオ】

よくある質問

トンネル効果は人間でも起こりますか？

理屈の上で確率はゼロではありませんが、現実には起こらないと考えてよい水準です。人の体は膨大な数の原子でできており、すべてが一つの波としてそろって壁を抜けることは考えにくいとされています。トンネル効果が目立つのは、電子のような軽い粒子とごく薄い壁の組み合わせです。

太陽の核融合にトンネル効果はどう関わっていますか？

太陽の中心は約1,500万度で、陽子同士の反発を力ずくで越えるには温度が足りないとされています。陽子が反発の壁をトンネル効果で抜けることで、この温度でも核融合が少しずつ進むと説明されています。1回の確率は小さくても、陽子の数が膨大なため太陽は輝き続けられます。

トンネルダイオードとは何ですか？

半導体の中で電子がトンネル効果を起こす性質を利用した電子部品です。1957年に江崎玲於奈氏が発見し、エサキダイオードとも呼ばれます。江崎氏はこの業績で1973年にノーベル物理学賞を受賞しました。トンネル効果の応用は、原子を観察する顕微鏡やフラッシュメモリにも広がっています。

※本記事は作品の批評・考察を目的とした個人の感想です。あらすじの詳細な再現や結末の解説は行っていません。引用は論評に必要な最小限にとどめています。作品名・登場人物名・画像等の権利はすべて各権利者に帰属します。