量子物理学は、物質とエネルギーの基本単位を扱う物理学の特定の領域です。
私たちの世界では、物事は非常に単純で論理的です。車は止まっているか動いているか、ステレオはオンかオフか、猫は死んでいるか生きているか、どちらかの状態です。妥協点や状態の組み合わせはありません。
しかし、世界の最も基本的なレベル、つまり私たちが構成されている最も基本的な粒子のスケールについては、同じことは言えません.
ここでは、粒子はいずれかの状態で存在するのではなく、一度に複数の状態で存在します。シュレーディンガーが説明したように、（基本的な世界の）猫は死んでも生きていてもいません。それは、死んでいる状態と生きている状態の両方の 2 つの状態の間に存在します。これは、粒子が状態の組み合わせで存在する重ね合わせと呼ばれます。
変ですよね？しかし、ここは量子物理学に支配された量子世界と呼ばれる不思議な世界です。
シュレーディンガーの猫:この猫の状態は、死んでいるとも生きているとも言えない状態であり、むしろその 2 つの混合状態です。つまり、シュレディンガーの猫は死んでいると同時に生きているのです。 (写真提供:Sudowoodo/Shutterstock)
それは近年非常に人気のある主題となり、クレジットの大部分は SF に当てはまります。代替宇宙とタイムトラベルの理論は、確かに私たちを楽しませ続けています.しかし、SF の世界にコンテンツを提供しているこの主題とは正確には何でしょうか?
量子物理学とは?
「Quantum」はラテン語で、その文字通りの意味は「どのくらい」ですが、何らかの物理的存在の最小量について話すために使用されます。適切に、この大きな世界の基本または「最小」である最も素粒子を表すためにそれを使用します。
つまり、量子物理学は私たちの世界の基礎を扱っています。原子内の電子、原子核内の陽子、陽子を構成するクォーク、光として知覚する光子などです。物質とエネルギー。
それはとても簡単に聞こえますよね？
では、通常の物理学とどう違うのでしょうか?
量子物理学は、初等レベルでの物質とエネルギーの研究です (写真提供:Jurik Peter/Shutterstock)
「通常の」物理とは、ニュートンの運動法則とそれに関連する力学を扱う物理です。それは古典物理学と呼ばれています。
これは、ボールの転がり、地球の回転、エンジンの仕組みなど、私たちの日常生活の物理を構成しています。
しかし、この物理学が非常に広範囲に及ぶのであれば、なぜこれほど不十分だったのでしょうか?
量子物理学の起源について
1900 年代にさかのぼって、量子物理学の誕生を見てみましょう。これは、科学者がまだ光電効果の観測を理解できなかった時代でした。簡単に言えば、光電効果は、光が金属に当たって電子がノックオフされる現象です。
「通常の」物理学によれば、光の明るさが十分な限界を超えると、電子は金属から逃げ始めるはずです。しかし実際には、それは色でした 電子が放出されるかどうかを決定する光の量。
光電効果 (写真提供:petrroudny43/Shutterstock)
これは、アルバート・アインシュタインがマックス・プランクの方程式に目を向けたときでした。プランクの方程式は、光波が「量子」と呼ばれる小さなパケットでエネルギーを運ぶことを示しました。これは、光の各色がその波長に関連する特定の量のエネルギーをどのように持っているかを説明しました。このエネルギーは、電子がノックオフされる原因となった.
アインシュタインは、プランクの方程式を使用して、光が波として作用するだけでなく、後に光子と名付けられた粒子としても作用することを提案しました。
量子物理学の創始者 – プランクとアインシュタイン (写真提供:research Gate)
それ以来、物理学者は、微視的な世界を理解するには通常の物理学だけでは十分ではないことに気付きました.
彼らは、この「通常の」物理学を古典物理学、過去の物理学、基本的な世界を扱う物理学を「量子物理学」と呼んだ.
したがって、この世界は現在「量子世界」と呼ばれています。
量子物理学と古典物理学の違いは何ですか?
正直に言うと、私たちの脳はこの巨視的な世界のために作られています。車の走行やペンの仕組みなどは理解できますが、量子の世界を理解することはできません。
たとえば、巨大な壁の前に立って、その反対側にたどり着こうとしていると想像してみてください。この壁は、他の 2 つの側面を恐ろしいワニに囲まれているため、唯一の選択肢は、それをスケーリングするか、穴をあけることです。でも、この 2 つのどちらかを行うだけのエネルギーがなければ、目的地にたどり着けませんよね?
さて、これが巨視的な世界のしくみです。
量子トンネリング – エネルギー障壁を通過するエネルギーが不十分な粒子 (写真提供:Felix Kling/Creative Commons)
この論理はこの世界では完全に正しいですが、量子の世界では、粒子は十分なエネルギーがなくてもそのようなエネルギー障壁を通過できます。これは量子トンネリングと呼ばれます。
この現象は、星のエネルギー生成を担う核融合の原因です。
明らかに、私たちの通常の論理や直感が失敗した場合、量子の世界が頼りにできる唯一の信頼できる直感は… 数学です。量子物理学の主題は数学の言語で話します。
そして、量子物理学の誕生以来、数学は量子世界のさまざまな奇妙な物語を語ってきました。たとえば、量子世界の粒子が明確な状態を持たないことを暗示したのは、シュレディンガーの方程式の数学です。
これを理解したシュレディンガーは、「シュレディンガーの猫」の例を使って説明しようとしました。 最初に見たもの。同様に、2 つの粒子の状態が絡み合い、分離した後でも、これらの粒子の量子状態が接続されたままになることを暗示したのは数学です。この現象は、量子もつれとして有名です。
量子エンタングルメント:2 つの粒子の量子状態が、分離した後もエンタングルされたままになるように重なり合うこと。 (クレジット:ezphoto/shutterstock)
SF 世界の量子物理学
私たちは、映画やテレビ番組を通じて、巨視的な世界で描かれた異常な量子現象のドラマ化をよく見てきました.
マーベルユニバースを例にとってみましょう。マーベル映画は、量子物理学を多用していることで有名です。物理学ではないにしても、少なくとも単語は時々使用されます!
ほとんどが量子物理学というレッテルを貼られたフィクションですが、実際のコンセプトに基づいたシーンがいくつかあります。そのうちの 1 つは、ドクター ストレンジの「複数の現実」です。
まず、それが基づいている量子物理学を理解しましょう。
この主題は、確率の観点から粒子を扱います .たとえば、電子の位置について話すとき、物理学者は「電子はこの範囲の長さ、たとえば 1 ～ 3 単位の間に存在する可能性が最も高い」と言うでしょう。しかし、同じことは、可能な範囲内の異なる位置で異なる現実に存在する電子として解釈することができます.
したがって、ある現実では 2 単位で存在し、別の現実では 3 単位、または最も可能性の高い範囲内のその他の可能な数で存在する可能性があります。要するに、粒子のそれぞれの可能な位置をカバーする多くの現実があります。ほら、数学とその意味をもう一度！この概念の大幅な拡大は、ドクター ストレンジの複数の現実に見られるものです。現実の各可能性は、それ自体が個別の宇宙であるため、複数の宇宙があります。
映画:ドクター・ストレンジ (写真提供:ドクター・ストレンジ映画/Marvel Entertainment)
この概念のもう 1 つの非常に有名な用途は、私たちの最愛の映画「エンドゲーム」でのタイムトラベルのアイデアです。この映画は、過去を変えれば未来も変わるということを理解しています。彼らが時間を遡ってサノスを殺したら、誰が黙示録をもたらし、なぜ誰かが彼を殺すために時間を遡るのですか?この問題は祖父のパラドックスと呼ばれています。
このパラドックスの解決策は、David Deutsch によって与えられました。はい、それ 映画の中でトニー・スタークが言及した「David Deutsch」。 Deutsch は、このパラドックスを取り除く唯一の方法は、イベントについて 確率 の観点から話すことだと言いました。 粒子について話すように。したがって、過去を変えることは、一定の可能性しかありません。つまり、彼らは過去にサノスを殺すことさえできなかったかもしれないということです、p 確率的に言えば!
そこで、彼らが行った巧妙な方法は、破壊される前にすべてのインフィニティ ストーンを持ち帰ることでした。その後、ストーンの欠落による変更を避けるために、それらを同じ時間に戻します。確かに巧妙だったことは認めざるを得ません!
アベンジャーズ:エンドゲーム (写真提供:アベンジャーズ:エンドゲーム映画/マーベル エンターテイメント)
量子物理学の重要性の高まり
量子物理学は確かに多くのフィクションを一般大衆に与えてきました.しかし、それも必要になってきました。それは科学の他の領域に同化しており、今も拡大しています。たとえば、量子コンピューターは、古典的なコンピューターには複雑すぎるタスクを実行することを目的としています。安全性とプライバシーを向上させるために、量子物理学を使用してより優れた通信システムを構築することに大きなストレスがかかっています。
量子コンピューター (写真提供:Bartlomiej K. Wroblewski/Shutterstock)
原子炉によるエネルギー生産は、量子物理学による核分裂の研究によってのみ可能になりました。また、天体物理学の主題にも深く根付いています。結局、宇宙の疑問に答える最善の方法は、宇宙の構成要素を理解することです。
宇宙の研究には量子物理学が必要です (写真提供:Jurik Peter/Shutterstock)
しかし、私たちがこの主題を理解しているかどうかに関係なく、重要性が増していることは確かです。今後さらに多くのことを行うと、すぐに私たちの生活の不可欠な部分になると言っても過言ではありません.
