量子力学は、波動関数についての関係が難しい仮定に基づいているため、理解するのが困難です。さらに、量子粒子は古典法則に従わないため、その挙動を予測することは困難です。さらに、量子力学の数学的枠組みを理解するのは困難です。
SF コミックを読んだことがある人なら、頻繁に出回っているいくつかの流行語に気付いているはずです。 「量子力学」、「特異点」、「量子デコヒーレンス」などの言葉。それらは、他の何よりも読者の注意を引き、現象に関する謎の感覚をもたらし、読者に量子の世界について不思議に思わせるようです.これは、QM を理解するのが「難しい」という物語に貢献しています。
科学の真の美しさは、神秘的な現象の驚異にあるのではなく、それらを理解し、知識の限界を押し広げようとする試みの繰り返しにあるからです。
エネルギーの量子化:確立された法則を破る
物理学における「量子」という言葉は、特定の実体を表す形容詞ではありません。代わりに、量子は実際には「量子化された」という言葉から来ています。 1900 年代に、マイクロ スケール システム (金属に結合した分子、原子、電子の集まりなど) のエネルギーは、特定の許容値しか持てないことが発見されました。 .
テニスボールを投げることを想像してください。ボールの速度は、原則として、0 km/h から 150 km/h までの連続範囲内の任意の速度を持つことができます (現実的には、腕の強さに基づく)。ただし、ボールが量子力学的法則に従う場合、ボールは特定の許容値、たとえば 2km/h の倍数の速度 (つまり、2、4、6、8、…) または速度でのみ移動します。これは 3km/h の指数 (つまり、3、9、27、81、…) です。これは、ボールが移動できない禁止速度が存在することを意味します。したがって、速度対時間のプロットは不連続なプロットになります。このかなりばかげた現象は、電子や陽子などの量子粒子にも当てはまります。これは速度の量子化と呼ばれます .運動エネルギーは速度に依存するため、速度の量子化はエネルギーの量子化にもつながります。 .
紫外線の大惨事:量子世界の最初のヒント
19 世紀後半、物理学者は理想的な黒体から放出される全エネルギーを計算しようとしました。これには、古典物理学の法則を使用して、黒体を構成するすべての原子のエネルギーを合計することが含まれていました。その後に起こったことは、物理学の基礎を根底から揺さぶりました。周囲と熱平衡状態にある黒体から放出されるエネルギーは 無限 であると計算されました .簡単に言えば、これは黒体から放出されるエネルギーが、宇宙のすべての星、惑星、彗星、小惑星などのエネルギーを合わせたものよりも大きいことを意味します .
「大惨事」は、低波長/高周波数での古典理論による誤った予測でした。これは、何かが古典物理学に根本的に欠陥があることを示していました。 (写真提供:Larenmclan/Wikimedia commons)
このばかげた結果により、物理学者は別の理論を探すようになりました。この問題は、マックス プランクが、黒体を構成する原子が特定の許容値のみでエネルギーを放出すると仮定したときに解決されました。簡単に言えば、すべての原子が放出するエネルギーが量子化されたということです。これをさらに単純化すると、各原子は特定の許容エネルギーを放出できます。この単純な仮定は、無限エネルギーの問題を解決し、理論計算 (以前はばかげた結果を出していました) は実際の観測と一致しました。
量子スケールでの奇妙な現象
あなたに関連する波があると言われたらどうしますか？信じられないかもしれませんが、あなたの車、家、衣服も同様です。実際、宇宙のすべての物理的物質には波動の性質が関連付けられています。
単一電子干渉
干渉とは、同じ方向に進む同じ周波数の波の重ね合わせ (ベクトル加算) です。
この実験では、電子源は、ある程度離れた写真フィルムに向かって電子を放出します。ソース間 (S ) とフィルム (F ) 壁があります (W ) 2 つの穴があり、少し離れています。電子放出率は、単一の電子のみが W を横切るように制御されます。 一度に。古典的なアナロジーは、常に 1 つのボールだけが壁を横切るように、2 つの穴のある壁に向かってシュートするテニス ボールの投手です。壁の後ろのシートには、ボールが当たった場所が記録されています。
ダブルスリット装置。 (写真提供:NekoJaNekoJa/ウィキメディア・コモンズ)
古典的な理論 (テニス ボール) では、シートで得られる打撃パターンはランダムであると予測されます。この理論を量子世界 (単一電子) に拡張すると、写真フィルム上のランダムなストライク パターン (F ) が期待されます。
しかし、観測は物理学者を驚かせました。 F で得られたパターン 強度の高い領域と強度の低い領域が一定の距離を隔てて配置されています。このパターンは、光波による干渉パターンに似ています。代わりに粒子 (電子) によって引き起こされる波の明確なパターン特性を特定した後、粒子にも波のような特徴があると結論付けられました.
単一電子による干渉パターン。 (写真提供:外村博士/ウィキメディア・コモンズ)
量子デコヒーレンス:可観測性の破壊
さらに単電子干渉実験を続けると、もともと装置は稼働中は観測対象外でした。これは、電子が放出されてフィルムに衝突している間、F 、プロセスの観察は行われませんでした。実験が数時間実行された後、停止され、フィルム F 取り出されました。しかし、実験がカメラによって記録された場合はどうなるでしょうか?それとも肉眼で観察しますか?
すると、驚くべきことに、干渉パターンは消えたというか、以前のようなパターンは観察されませんでした。この場合、テニス ボールの実験と同じように、パターンはランダムでした。言い換えれば、観察は干渉を破壊します。ただし、これはテニスボールには当てはまりません。好きなだけカメラと観客を出席させておくことができますが、パターンは変わりません.
これは、量子スケールで光子が電子に衝突したときに、電子が元の経路から乱されるために発生します。したがって、測定を行おうとすると、純粋な観察が失われます。
量子トンネル
無限に高い壁のある部屋で、テニス ボールの動きが制限されていると想像してみてください。たとえ高速であっても、ボールが壁を通過することはありません (壁の破壊は許可されません)。壁を越えるには、ボールが壁の高さよりも高くなければならないため、実際にはボールが外に出ることはありません。同様に、量子スケールでは、電子が無限に深いポテンシャル井戸 (壁に似ている) に制限されている場合、電子が壁を横切る可能性 (読み取り確率) がゼロで、永久に閉じ込められたままになると予想される場合があります。しかし、QM は再び私たちを驚かせます。 有限の確率は存在します 電子が衝突したときにポテンシャルの壁を越えること。これは実生活でも観察されます。接合部を固定するために、2 つの金属導体をはんだ付けします。しかし、はんだは電位障壁にすぎません。電子が壁を横切る確率は有限であるため、回路は閉じたまま電気が流れます。
トンネル効果は、波の性質が電子といくつかの巧妙な数学に関連していると仮定することで説明できます。 (写真提供:Yuvalr/Wikimedia commons)
古典物理学による条件付き思考
初級から中級の物理は古典物理を扱うので、これらの理論を使って日常の現象と結びつけやすくなります。しかし、量子力学が最初に導入されたとき、それは常に、関連付けが難しい波動関数に関する仮定から始まります。さらに、量子粒子は古典法則に従わないため、QM の数学的枠組みを理解するのと同様に、その挙動を予測することも困難になります。古典的なアナロジーを見つけようとせずに、演算子と波動関数について考えるのは簡単ではありません...それは単に存在しません!
微分方程式、複素数、および UG レベルの代数に慣れていない場合、数学は物理学の言語であるため、QM は不必要に難しいように見えるでしょう。 (写真提供:Inkscape /Wikimedia commons)
