量子力学は、原子および亜原子レベルの粒子が互いに、またその環境とどのように相互作用するかを研究するものです。オブザーバー効果とは、観察する行為によって、観察されている粒子の挙動が変化する現象です。この効果は、粒子が同時に複数の状態で存在できることを意味する、物質の波のような性質によるものです。観測者が粒子の特定の特性を測定するとき、観測者はその粒子の波動関数を事実上崩壊させ、特定の状態を想定させます。
木や鳥など、世界の何かを観察すると、いつどこで観察しても、それは常に同じままであることがわかります。しかし、特定の鳥を見る時間と方法がその外観に影響を与えると言ったらどうでしょうか?非常にばかげているように聞こえますが、量子領域の奇妙な法則に関して言えば、ばかげているのは普通のことです。量子力学の法則は、通常の大きさの世界の物理学とは大きく異なります。オブザーバー効果を理解する前に、まず量子物理学の基礎を見てみましょう。
基礎
量子力学の分野は、主に 3 つの柱に基づいていました。これらの柱の最初のものは、量子化されたプロパティとして知られています .量子化されたプロパティは、設定された時間とインスタンスでのみ発生するパーティクルの位置、速度、色、およびその他のプロパティを提供します。これは、確立された古典力学の分野で保持されている信念、つまりすべてが滑らかで連続的なスペクトルで起こるという信念とは正反対です。これは科学者が非常に斬新であることが判明したものであり、最終的にこれらの粒子を量子化粒子と名付けました。量子力学の 2 番目の柱は、光の粒子の性質を指します。 .最初は、光が粒子として振る舞い、分類できるという考えは、光が波のような性質を持っているという確立された原則に反するものであったため、大きな批判にさらされました.
ただし、光の粒子の性質により、量子として知られる小さなエネルギー パケットを表すことができる基本単位がもたらされました。 .これは、アルバート・アインシュタイン自身によって提案されました。アインシュタインは、ある量子状態から別の量子状態にジャンプしようとする電子によって、エネルギーのパケットが全体として生成または吸収される可能性があると仮定しました。量子力学の 3 番目で最後の基本的な柱は、物質の波動性です。 .これは理解しにくいかもしれませんが、物質は波のような性質も示します。物質の波のような性質は、お互いの研究を知らなかったにもかかわらず、ほぼ同時に 2 人の科学者によって独立して提案されました。この 2 人のかつての発見者は、科学者のルイ・ド・ブロイとアーウィン・シュレディンガーでした。彼らは、物質の波のような性質を証明するために、根本的に異なる 2 つの数学的アプローチを使用しました。後に、両者の貢献が認められ、彼らのアイデアは共同でハイゼンベルク-シュレディンガー モデルと名付けられました。ハイゼンベルグは、量子力学にもう 1 つ重要な貢献をしました。基本的な柱ほど重要ではありませんが、重要な役割を果たし、ハイゼンベルグの不確定性原理として知られています。 .彼は、物質の性質は波のようなものであるため、電子の速度や位置などのいくつかの特性は互いに補完的であると推論しました.簡単に言えば、電子の各特性を同時に正確に測定できる限界があります。
ハイゼンベルグの不確定性原理
観察は現実に影響を与える
(写真提供:ウォーレン・レイウォン/ウィキメディア・コモンズ)
量子「観測者」が見ているとき、量子力学は、粒子は波としても振る舞うことができると述べています。これは、サブミクロン レベルの電子、つまり 1 ミクロンまたは 1000 分の 1 ミリ未満の距離にある電子に当てはまります。波として振る舞うとき、電子は障壁のいくつかの開口部を同時に通過し、反対側で再び出会うことができます。この会議は干渉として知られています .さて、この現象の最もばかげたことは、誰も観察していないときにのみ発生するということです.観察者が粒子が開口部を通過するのを見始めると、得られる画像は劇的に変化します。粒子が 1 つの開口部を通過するのを見ることができれば、別の開口部を通過していないことは明らかです。言い換えれば、観察下では、電子は多かれ少なかれ波の代わりに粒子のように振る舞うことを余儀なくされています.したがって、単なる観察行為が実験結果に影響を与えます。
Erwin Schrodinger &Heisenberg (写真提供:ノーベル財団 / ウィキメディア・コモンズ)
この現象を実証するために、ワイツマン研究所は、2 つの開口部を持つバリアを備えた、サイズが 1 ミクロン未満の小さなデバイスを構築しました。次に、バリアに向かって電子の流れを送りました。この実験の観察者は人間ではありませんでした。代わりに、通過する電子の存在を検出できる小さな電子検出器を使用しました。電子を検出する量子「観測者」の能力は、その電気伝導率、またはそれを通過する電流の強さを変更することによって変更できます。電子を「観察」または検出することを除けば、検出器は電流に影響を与えませんでした。それでも、科学者たちは、開口部の1つの近くに検出器「オブザーバー」が存在すること自体が、バリアの開口部を通過する電子波の干渉パターンに変化を引き起こすことを発見しました。実際、この効果は観測の「量」に依存していました。つまり、「観測者」の電子を検出する能力が高まると、つまり、観測のレベルが上がると、干渉が弱まります。対照的に、電子を検出する能力が低下し、観測が緩むと、干渉が増加しました。このように、量子オブザーバーの特性を制御することで、科学者は電子の挙動への影響の範囲を制御することができました!
