>> 自然の科学 >  >> 地学

実験は謎の非ニュートン「量子力」の存在を指摘する

ガリレオとニュートンの時代以来、物理学者は私たちが古典に住んでいると信じてきました つまり、古典物理学の法則に従う世界です。空間はユークリッドであると見なされ、自然は連続的であると考えられ、運動は作用と反作用の力のペアによって引き起こされると見なされました.

20 世紀の幕開けに、最初の 2 つの仮定が誤りであることが示されました。一般相対性理論は空間を非ユークリッドとして説明し、量子力学は自然が不連続で「ギャップがある」ことを暗示しているようです。 3 番目の条件、つまり力は常に作用と反作用のペアで発生するという事実は、ニュートンの運動の第 3 法則の結果です。

「すべてのアクションに対して、等しく反対の反応があります」 – ニュートンの運動の第 3 法則

ニュートンの第 3 法則は、力はペアでのみ存在することを示しています。 つまり、1 つの力が存在する場合は常に、それに付随する同等かつ反対の力が存在する必要があります。たとえば、ある力で壁を押すと、壁は同じ量の力で反対方向に押し戻されます。あなたが壁に作用すると、同時に壁もあなたに作用します。重力も同様です。オブジェクトは、相互に重力の影響を及ぼします。太陽の重力は地球に力を及ぼし、地球は太陽に力を及ぼします。

さて、ニュートンの第 3 法則も間違っている、または少なくとも特定の状況下では間違っていると考える十分な理由があります。ネブラスカ大学とアントワープ大学の科学者の合同チームによって行われた最近の実験は、電子の作用を受けずに電子の動きに影響を与えることができる神秘的な「量子力」の存在を示しているようです.

研究者の特定の発見は、「アハロノフ・ボーム効果」として知られるものに関連しています。簡単に言えば、アハロノフ・ボーム効果とは、磁場も電場もゼロの領域にあるにもかかわらず、荷電粒子が電磁ポテンシャルの影響を受ける量子力学的現象です。アハロノフ・ボーム効果は、数学的に初めて予測されました。 1959 年に Yakir Aharonov と David Bohm によって最初に確認され、1986 年に日本の物理学者外村明によって初めて実験的に確認されました。

現在の研究は、アハロノフ・ボーム効果が、これまで発見されていなかった「量子力」の作用によるものであることを暗示しているようです。古典的な力のように動きに影響を与えますが、いくつかの奇妙な特性を持つエンティティです。具体的には、この力は非局所的かつ非ニュートン的であると見なされます.

電場と電位

電界と電位について少し話しましょう。古典力学では、電子のような帯電した物体は 電場 を作ります .電場は、ベクトル場として数学的に記述されます 、その空間内のすべての点に大きさと方向が割り当てられている抽象的な空間。電場の大きさと方向は、電場がそのスポットで正に帯電した粒子に及ぼす電気力の強さと方向を表します。電場は、その空間内のすべての点が本質的な「引き」または「押し」に関連付けられている空間の領域と考えてください。

電位として知られているものもあります .電位は、荷電粒子をフィールド内のある点から別の点に移動するのに必要な仕事の量、つまり、荷電粒子を移動させるのに必要な力を表します。ある点での電位は、その点で荷電粒子に含まれる電位エネルギーと正確に等しくなります。電位は、電場の強さが特定の距離でどれだけ速く変化するかの尺度として見ることができます。電位はスカラーです 量 (大きさのみを持つ) であり、選択した基準点に対する粒子の位置にのみ依存します。

電気力学の歴史の大部分において、電位は物理的な現実を持っているとは考えられておらず、ある時点で電場の特性を計算するための有用な数学的ツールとしてのみ見られていました.しかし、アハロノフ・ボーム効果の発見は、逆に、電位が実在する実体であることを示していると一般に解釈されています。 物質に因果関係があるもの。アハロノフ・ボーム効果に関するその後の多くの研究は、電位と荷電粒子の間のこの明白な因果的相互作用の性質を決定することに焦点を当ててきました.

ザイリンガー、シェランコフ、そしてさらなる研究

1998 年、物理学者のアントン・ザイリンガーは、アハロノフ・ボーム効果はいかなる力からも生じず、代わりに電位の「分散のない」性質の結果であると仮定しました。彼の推論は、観測された電子回折が力によって引き起こされた場合、電子運動の元の予測からの時間遅延が見られるというものでした。実験ではこの遅延は見られなかったので、彼は力が働いている可能性はないと結論付けました。物理学者のアンドレイ・シャランコフによる別の研究では、力の作用は時間遅延ではなく、電子のたわみとして現れる可能性があると予測しました。

現在の研究は、隠れた力から生じる可能性のある電子位置回折を測定することにより、Zeilinger の定理と Shelankov の予測をテストすることを目的としていました。この主張を検証するために、研究者は電磁場が粒子から遮蔽された磁気的に荷電されたソレノイドに電子ビームを発射することを含む実験装置をセットアップしました。

バーが磁化されていないとき、電子は摂動なしでソレノイドのすぐそばを航行しました。しかし、磁化を徐々に上げていくと、研究者は予測された非対称電子回折パターンを横方向に観察しました。磁荷を逆にすると、観察された非対称性の向きが逆になり、ソレノイド システムの電磁ポテンシャルが粒子に因果関係を持っていたことが示されました。ここで重要なことは、電子が電磁界の影響を受けない空間を移動していたことです。 .ただし、この領域には電位があり、粒子がどのように偏向するかを決定します。

では、これらの結果を明確に見ていきましょう。Zeilinger は、この系で力が作用すると、電子が目的の点に到達するまでに時間の遅れが生じると予測しました。逆に、Sheleankov は、力の作用を示すために観察する必要があるのは、時間遅延ではなく、位置の回折だけであると答えました。現在の実験は、両方の主張が真実である可能性があることを示しています。 位置回折があります。 Zeilinger と Shelankov の両方の予測はどちらも真実である可能性があり、特別な種類が必要なだけです。 力の;できれば「量子力」です。

「量子力」

この想定される「力」の性質について、私たちはどう考えますか?まず第一に、力の作用は非局所的のようです;つまり、距離を超えて瞬時に行動できます。セットアップに時間遅延が観察されないという事実は、想定される力が伝播して電子に作用するのに時間を必要としないことを示しています。非局所的な力は確かに古典物理学では使えませんが、量子物理学者は非局所的なメカニズムに精通しています。具体的には、量子エンタングルメントは、空間的に離れた 2 つの粒子の瞬間的な相互作用を伴うようです。研究主任のハーマン・バテランによれば、彼らの結果は、量子エンタングルメントのような同様の非局所的な力の作用として解釈される可能性があります.

第二に、想定される力はでなければなりません –ニュートン 、ニュートンの第三法則に違反するという意味で。この結果は、電子に電位が作用しても、電子自体が電位に作用していないことを認識することと一緒です。古典物理学では、力が存在する場所には常に、同じ力と反対の力が付随していなければなりません。アハロノフ・ボーム効果の場合はそうではありません。 Batelaan によれば、この「量子力」は、量子エンタングルメントとは異なり、「2 粒子現象ではなく、1 粒子現象です」。したがって、この「量子力」は、オブジェクトに作用することなくオブジェクトに作用できるという独自の特性を持つことになります。

バテランと共同。量子力学の deBroglie-Bohm パイロット波解釈のコンテキストで結果を解釈します。この解釈によれば、量子系には、波動関数 (パイロット波) と特定の位置にある実際の粒子の 2 つの部分があります。一般的な考え方は、パイロット波が「量子ポテンシャル」と呼ばれる力の作用によって粒子を導くというものです。パイロット波の解釈の秘訣は、この量子ポテンシャルを直接測定することはできず、間接的にしか測定できないということです。したがって、量子力学のドブロイ・ボーム解釈が正しければ、この量子ポテンシャルは、粒子に作用して粒子の軌道を変える力として現れる可能性があります。

もちろん、量子力学のドブロイ・ボーム解釈には論争がないわけではありません。これらの批判の一部は、deBroglie-Bohm の波力学が non として明示的に定式化されているという事実に関連しています。 –ローカル 、つまり、波動関数が変化すると、誘導粒子の位置が瞬時に変化します。 deBroglie-Bohm 力学の非局所的な性質は、相対性理論と因果関係の超光速の瞬間的な伝播が不可能であるというその制約に直接違反しているようです。 Batelaan 氏によると、この可能性のある力の非局所性は、実験から得られる唯一の最大のポイントです。これは大きな問題です。私がここで行っていることは、明確な仲介者なしで、どこか他の場所に影響を与えますか?」

では、これらの結果から何がわかるでしょうか。一方では、量子力学は非常に奇妙であることが知られているため、古典的な力とは異なる振る舞いをする、これまで知られていなかった力の存在が完全に可能性の領域から外れているわけではありません。一方、そのような非局所的な非ニュートン力の存在を認めることは、力と運動について私たちが知っていることのかなりの部分に直面しているように見えます.

しかし、Batelaanらによる研究。これらの種類の実験では確かに何か奇妙なことが起こっていることを示しています。これは現在、説明する適切なツールを持っていません。おそらく、量子領域に関する私たちの知識が増えるにつれて、私たちの科学的知識のギャップを埋めることができる他の「量子力」の証拠がさらに見つかるでしょう.


  1. 一部の種類のオンライン ショッピングよりも環境に配慮したハイストリート ショッピング
  2. ファストファッションは減速する必要がある、と科学者は警告する
  3. 余震とは?
  4. 10 物理的な変化の例
  5. 恐竜:最終日。アッテンボローの新しいショーで発見された化石サイトの詳細
  6. 雷を使用して短期間の降雨を予測する方法