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最終的に混乱した方のための量子物理学


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最終的に混乱した方のための量子物理学

(図 抽象的 Pixabay)  (Fig.) アーティクル・イメージ

 

量子力学の当惑させる世界に関する新しい論文が常に登場しています。私達は常駐する物理学者キャサル・オコーネル(Cathal O'Connell)氏が、いくつかの厄介だが重要な概念の基礎を提供してくれれば役に立つと考えました。

 

量子物理学はあなたの脳を溶かしますか。まず、パニックに陥らないでください。困惑するのはあなただけではありません。伝説の物理学者、リチャード・ファインマン(Richard Feynman)氏は述べました: 「誰も量子力学を理解していないと、私は間違いなく言うことができると思う。」

それにもかかわらず、量子論(quantum theory)は、私達の世界がどのように繋ぎとめられているかを説明するために不可欠です。

そこで私達は、量子理論の考え方を、5歳(または55歳)の者でさえも要点を得られるレベルまで分解しました。

 

量子論とは何でしょうか

議論の数千年後に、私達は最終的に、電子とクォーク(quarks)と呼ばれる小さな粒子がどんな「物」でできているのかを知ります。これらは、水素や酸素などの原子やH2Oなどの分子を作るために、小さな家族で一緒に集まります。

原子と分子は、私達の世界のレゴブロック(Lego blocks)です。

この小さな世界がどのように動作するかを説明するために、科学者達は、量子論と呼ばれるアイデアのコレクションを使用しています。

この理論は奇妙な予測をします(例えば、素粒子は同時に2つの場所にある可能性があります)。それは物理学において最も正確に検証された理論でもあります。

あなたのスマートフォンをとてもスマートにするチップなど、私達の周りの多くのテクノロジーを支えています。

それは奇妙で、正しく、重要です。

 

しかし、「量子」とは実際にはどういう意味でしょうか

あなたの手でピーナッツバターの瓶を持って、あなたの台所に入ります。あなたは、カウンターの上か、もしくはその上の棚の1つに、瓶を置くことを決めることができます。ですが、あなたは棚の間に瓶を置くことはできません - それはまさに意味がありません。

物理学で言うなら - あなたの台所の棚は「量子化(quantised)」されていると、あなたは言うでしょう。まさにそれらがレベル[水準]に来ることを意味します。

量子の世界では、全部がレベルに分割されています。例えば、原子中の電子は、あなたの台所の棚のように、いくつかのセット[集合] 「エネルギー・レベル」の1つに座ることができます。ですが、量子世界は奇妙です。 電子にエネルギーを与えれば、あるレベルから他のレベルに即座にジャンプします。

それは量子跳躍(quantum leap)と呼ばれています。

もう一つの類推があります。もしも、あなたが量子自動車を運転したならば、5 km/h、20 km/h、または80 km/hで走行することができますが、それぞれの間の速度はありません。ギアをシフトすると突然5 km/hから20 km/hにジャンプします。スピードの変化は瞬間的に起こるので、あなたは加速を感じないでしょう。

それはもう1つの量子跳躍です。

 

量子力学 古典力学

微視的な世界は、私達が慣れ親しんだ「古典的な」世界とはまったく異なる規則でプレイ[動き]しています。

「古典的」は物理学者の「常識」の言葉で、何かが振舞うときに、毎日の経験からあなたが期待する方法となることです。

ビリヤード・ボールは「古典的な物体」です(それは、テーブルに沿って簡単に転がります)。ですが、そのボールの中の1つの原子は量子の法則に従います(どんな時でも緑色のフェルトを通して消えてしまいます)。

原子のスケール[規模]とビリヤード・ボールの間のどこかに、物理法則にクロスオーバー・ポイントがあります。これは、州警察と連邦警察の間の管轄の移管のようなものです。

十分な数の原子を張り合わせると、奇妙な量子効果は消えてしまい、振る舞いは古典的になります。これは対応原理(correspondence principle)と呼ばれています。

 

ハイゼンベルグ(Heisenberg)不確定性原理

量子物理学での一部のことは、文字通り分からないことです。 たとえば、あなたは電子がどこにあり、どこに行くのかを決して知ることはできません。

これを理解する1つの方法は、関係する観測者の効果、つまりどのように測定して結果を変えることができるかです。たとえば、電子がどこにあるかを知るためには、あなたは何か(光の光子など)でそれを検出する必要がありますが、しかし、この調査は優しいが、元のコースから電子を叩き動かします。電子はあなたに場所を伝えますが、電子はどこに行くのか忘れてしまいます。

しかし、不確定性原理(uncertainty principle)は、観測者の影響だけで遥かに深刻です。自然に生来の曖昧さがあると言います。

電子がどこにあるのかは不明ですは、私達の観測での失敗ではありません。それは、電子が明確な位置を取っていないからです。電子は点粒子ではなく、空間内に電子のある領域のしみが広がっています。

 

粒子/波の二重性

量子の物体(光子や電子のようなもの)は、個性が分かれています。ある時は波のように振る舞い、ある時は粒子の様です。それらの振る舞いは、あなたが尋ねる質問の種類によって異なります(下記の2スリット実験を参照)。

 

波動関数

波がどのように描写されるかの数学の小片。

重要なのは、量子波動関数(quantum wave-functions)は多くの可能な解を持つことができ、それぞれの解が真実だとする明確な確率です。

驚いたことに、異なる可能な答えは、重ね合わせ(superposition)と呼ばれる状態の疎遠の整列で互いに相互作用するようです。- あたかも宇宙の現実を私達に与えるために一緒に共謀するように(下記の「2つのスリット」を参照)。

 

重ね合わせとシュレーディンガーの猫

シアン化物(cyanide)の入った小瓶と共に、箱の中にいる猫を想像してみてください。小瓶の上に、ひもで保持されたハンマーがあります。ハンマーは、ランダム[不規則]な量子事象(例えば、ウラン原子の崩壊)によって動いた時に落下するように設計されています。

これは夢の思考実験で、エルヴィン・シュレーディンガー(Erwin Schrödinger)氏が重ね合わせの考えを伝えようとしたものです。

原子の崩壊は量子の法則に従うので、従って、その波動関数には崩壊するか崩壊しないという2つの解があります。

量子論によれば、測定を行うまで、2つの可能性[確率]が同じように有効です。実際、原子は、同時に崩壊したものと崩壊しなかったものの両方とみなすことができます。

猫の運命は、ウランの原子に密接に関連しており、あなたが覗くまで、猫は同時に生きていて死んでいます。

 

エンタングルメントとは何でしょうか

エンタングルメント[もつれ]は、2つの粒子(例えば、光子)が密接に結合している場合で、どんなに遠く離れていても、一方の測定が他方の測定に即座に影響します。

それは、あなたが子供だったときのようなもので、あなたの叔父は、彼の背後でそれを混ぜた後に、あなたに色のついた各々の手のボールを見せてくれました。あなたの視点から見ると、2つのボールは「もつれています」 - 赤いボールが左手にあるならば、青いボールが右手にあることを意味します。

しかし、量子の状況はよりミステリアスで、何故ならば「ボール」は定義された色を持たず、色が変化するからです - どんな瞬間でも、ボールは等しい確率で赤または青に変わることができます。それは完全にランダムです。

奇妙なことは、1つのボールを見ると、あなたが見るものだけでなく、両方のランダム性が失われます(色の変化が凍結します)。あなたは、赤いボールが見えるならば、もう一方の色が青色に固定されていることがわかります。

このようにして、それらがどれほど遠く離れていても、1つのもつれた粒子は即座に他の粒子に影響を与えるように見えるかもしれません。アルバート・アインシュタイン(Albert Einstein)氏は、これが、彼の相対性理論による宇宙の制限速度(別名、光の速度)に違反していると感じ、それで彼はエンタングルメントに「遠く離れた気味の悪い行動(spooky action at a distance)」というレッテルを付けました。

 

物理学者はどのように光子をもつれさせるのでしょうか

2つのテクニックがあります。1つは、高エネルギーの光子をより低いエネルギーの2つの「子供の光子(daughter photons)」に分解することです。ホラー映画の双子のように、2人の子供の光子はそれらの間にミステリアスなつながりを持っています。

もう1つの方法は、2つの光子を鏡の迷路に通すことで、恐らくあなたは、それぞれの方向に移動したかを知ることはできません。この「不明瞭性」はエンタングルメントを創ります。

 

2つのスリット実験(上記の大部分の図解)

これは量子力学で最も有名な実験で、粒子(通常は電子または光子)が2つのスリットで発射されてからスクリーン上で検出されます。

それは上記の奇怪な現象の多くを示しているので、とても有名です。

この実験は、同じ設定の波と粒子の異なる振る舞いについての、ちょうつがいです。

例えば、あなたはプールの水の中に2つのスリットがある障壁を設定でき、そうして、あなたの指を浸して波を発生させます。波紋は2つのスリットを通過し、反対側で干渉してパターンを作ります。

しかし、もしあなたが障壁を水中から取り出し、2つのスリットの位置から大理石の束を発射するならば、それらは干渉パターンを作ることなしに2つのラインをまっすぐ飛びます。

奇怪なことは、電子は両者のように振舞えることです。

ひとたび1つでもスリットから電子を発射すれば、あたかも各電子が同時に両方のスリットを通過したかのように、それらはスクリーン上に干渉パターンを形成し、それ自体が干渉します。これは電子が波であることを私達に伝えているようです。

電子は量子の物体なので、その位置を知ることはできません(ハイゼンベルグの不確実性原理)。 電子は1つのスリットを通過する可能性があり、他のスリットを通過する可能性があります。双方とも可能だから、実際には両方を通過します(状態の重ね合わせ)。

さて、「観測」とは、電子が検出器に当たり、明るいフラッシュ(波動関数の破綻)を示すことです。

しかし、電子がどちらを通過するかを教える機構をスリットに設けて電子を騙そうと、あなたが言ってください。 突然干渉パターンが消えます。

あなたが、電子がどのスリットを通過したのか知っているので、それはもはや状態の重ね合わせではなく、スリットの1つを通ってのみ移動するだけです。電子の波のような挙動は消え、大理石のように振る舞うだけです。

 

もしあなたの頭が痛いのならば、物理学者もこの明らかなパラドックスを説明するのに奮闘していることを労ってください(下記の「解釈」を参照)。

ファイマン(Feynman)氏が物理学講義で指摘したように、「パラドックス(the paradox)」は、現実と現実との間の「感じるべき(ought to be)」感情の間にある対立に過ぎません。

 

量子力学の解釈

黙って計算する学校 – 答えに興味があるだけの物理学者、そして本当に何が起こっているのかについて推測することを拒否します。

多くの世界の解釈 – 総ての量子測定は、波動関数に対するそれぞれの可能な1つで、無限の数の平行な宇宙の生成を引き起こしていると、物理学者は主張します。その解は、まさに私達の宇宙に現れるものです。

コペンハーゲン(Copenhagen)の解釈 - 私達がそれを測定するまで現実は存在しません。観測の行為は波動関数を「崩壊」させます。

ド・ブロイ-ボーム解釈(De Broglie-Bohm)やパイロット波理論(pilot-wave)の解釈は、古典的な粒子と同じように量子の物体を扱いますが、それらはいわゆるパイロット波の上にサーファーのように乗っていると想像してください。 波は、粒子がどこで終わるかを決定します。

 

 

----- 出典 -----

cosmosmagazine.com

 

----- この記事を読んで -----

量子は、目で見て把握できるような直感的に理解できることが限られているために、イマジネーションが追い付かずに、量子力学は、結局よくわからないという事になるのが一般的なのかも知れません。

本編では、1つ1つ取り上げていますが、イメージできたでしょうか。

 

ボーム解釈 - Wikipedia

 

----- パズルのピース -----

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