不思議な学問：量子力学が熱い

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量子力学への道

量子物理学は、物質とエネルギーを最も基本的なレベルで研究する学問です。自然界の構成要素である物質の性質や振る舞いを明らかにすることを目的としています。


量子実験の多くは、電子や光子などの非常に小さな物体を調べるものですが、量子現象は私たちの身の回りにある、あらゆるスケールで作用するものです。

しかし、大きな物体ではなかなか検出できない性質のものです。そのため、量子現象は奇怪なもの、別世界のものと誤解されることがあります。でも実際は、量子力学は物理学の知識のギャップを埋め、私たちの日常生活をより完全なものにするものです。


量子力学の発見は、材料、化学、生物学、天文学の基礎的な理解に組み込まれています。これらの発見は、レーザーやトランジスタなどのデバイスを生み出し、量子コンピュータのような、かつては純粋に推測の域を出ないと考えられていた技術の真の進歩を可能にし、イノベーションのための貴重な資源となっています。

物理学者は、量子科学が重力や空間と時間との関連についての、我々の見方を変える可能性を探っています。

量子科学は、宇宙（あるいは複数の宇宙）に存在するすべてのものが、私たちの感覚では理解できない高次元でつながっていることまで明らかにするかもしれないのです。

量子物理学の起源

量子物理学は、1800年代後半から1900年代初頭にかけて、古典物理学では直感的に理解できない原子の実験的観測から生まれた分野です。

その中で、物質とエネルギーは、最小値を持つ離散的なパケット、すなわち量子として考えることができるという基本的な発見がありました。

例えば、ある周波数の光は、「光子」と呼ばれる量子の形でエネルギーを伝達します。この周波数の光は、それぞれ同じエネルギーを持っており、このエネルギーはより小さな単位に分解することはできません。量子という言葉はラテン語に由来し、"どれだけか "という意味です。

原子は原子核の周りを電子が取り囲んだ構造をしていますが、この量子原理を知ることで、原子の概念が一変しました。電子は、人工衛星が地球の周りを回るように、原子核の周りを回る粒子として描かれていました。

しかし現代の量子物理学では、電子は軌道の中に確率的に分布していると考えられています。電子は、エネルギーを得たり失ったりすることで、ある軌道から別の軌道へ移動することができるが、軌道の間に存在することはできないのです。


このほかにも、量子物理学の基礎を築いた中心的な概念があります。

「波動と粒子の二重性」です。

波と粒子の二重性: 

これは量子科学が誕生した当初からある原理です。

この原理は、光や物質が、測定の仕方によって粒子か波動かの性質を持つことを示した実験の結果を説明するものです。

現在では、これらのエネルギーは粒子でも波動でもないことが分かっています。量子力学的な物体であり、簡単に概念化することはできないものです。

重ね合わせ：

ある物体が、同時に複数の可能な状態を、組み合わせたものであることを表す言葉。

例えるなら、池の水面に現れる波紋のように、2つの波が重なり合った状態を指します。数学的には、重ね合わせた物体は、複数の解や結果を持つ方程式で表現することができます。

不確定性原理：

相補的な視点間のトレードオフを表す数学的概念です。

物理学では、物体の位置と速度のような2つの性質は、同時に正確に知ることができないことを意味します。例えば、電子の位置を精密に測定した場合、その速度を精密に知るには限界があるのです。

量子のもつれ（Entanglement）：

2つ以上の物体が非常に離れていても、1つのシステムとして考えられるように結合しているときに起こる現象。

そのシステム内のある物体の状態は、もう一方の物体の状態の情報なしには完全に記述することができません。

同様に、一方の物体に関する情報を学べば、もう一方の物体についても自動的に何かがわかるし、その逆もまた然りなのです。

数学と量子物体の確率論的性質

量子物理学の概念の多くは、私たちがイメージすることが不可能ではないにしても、非常に困難です。なのでこの分野では数学が不可欠です。量子力学的な現象を記述し、予測するためには、我々の想像を超えた厳密な方程式が使われるのです。

また、量子現象が持つ確率的な性質を表現するためにも、数学は必要不可欠です。

例えば、電子の位置は正確にはわかりません。

軌道の中などさまざまな場所に存在し、それぞれの場所に電子が存在する確率がある、と表現するしかないのです。

このような確率的な性質から、量子力学的な物体は、シュレーディンガー方程式の解である「波動関数」を用いて表現されることが多いのです。

水中の波は、波がある地点を過ぎると水の高さが変化することで特徴づけられます。

同様に、音波は、空気分子がある点を通過するときに、圧縮や膨張が変化することで特徴付けることができるのです。

波動関数は、このように物理的な性質を追跡することはできません。波動関数の解は、観測者が特定の物体を見つける可能性を、様々な選択肢の中から示しているに過ぎません。しかし、池の波紋が一箇所にとどまらないように、量子物体も複数の場所に存在することができ、重ね合わせのように異なる状態をとることができるのです。

これらは楽器が発する音にも例えられます。

トランペットが奏でる音は波として流動して空気中を伝わります。発せられた瞬間から拡散し消えるまで、その聞こえ方の変化を人は耳で感じて脳内に伝えます。しかしその一瞬の音を捉えようと、録音装置を止めると音は聞こえなくなります。音は流れている時と流れが止まった瞬間の状態が違うので。人の感覚器官からは消える、という受け止めになってしまうのです。

量子力学的物体の観測

また量子力学では、「観測」という行為が大きな話題になっています。

量子物理学の初期には、実験を観察するだけで結果に影響が出ることに戸惑いを感じていました。

例えば、電子を観測しないと波のように振る舞うが、観測すると波が崩壊し、電子は粒子のように振る舞うようになります。

現在、多くの科学者たちは、この文脈で「観測」という言葉は、意識が関与していることを示唆し、それが返って誤解を招くことを理解しています。

この場合、量子現象と外部環境（測定装置を含む）との相互作用によって結果が変化するため、「測定」という表現が適切です。しかし、この関連性にも注意点があり、測定と結果の関係を完全に理解することはまだ慎重であるべきです。



ダブルスリット実験

量子物理学の分野で最も決定的な実験は、二重スリット実験でしょう。

1801年、光は波であることを示すために、2つのスリットの入った障壁に光子や電子などの粒子を射出する実験が行われたのが始まりです。

それ以来、この実験は、物質が波のように振る舞うことができることを示したり、重ね合わせ、絡み合い、観測者効果などの原理を実証するために、さまざまな形で利用されてきました。

観測によって結果が変わるなんてあり得ない、と古典物理の信奉者からはいまだに、学問として認めようとされない謎の多い学問ではあります。

じっさい量子科学は神秘的で非論理的に見えるかもしれませんが、私たちが気づいているかどうかに関わらず、身の回りのすべてを説明可能性を秘めた驚くべき学問分野です。

将来、量子物理学の力を利用することで、現在私たちが使っているスマホやパソコンも、驚くべき進化を遂げるかもしれませんよ。