量子力学：はじめに

量子物理学は奇妙で奇妙であり、あなたが慣れている物理学の法則に従わないと聞いたことがあるでしょう。 これは確かに大部分真実です。 物理学者が新しい理論を開発し、非常に小さな世界で何が起こっているのかを説明するために古い理論に頼らなければならなかったのには理由があります。

この量子力学入門では、科学者が量子挙動と量子現象にどのようにアプローチするか、そしてこれらのアイデアがどこから来たのかを学びます。

確かに、量子の世界には多くの奇妙さがあります。 量子力学は、その奇妙さを説明し、観測された現象の予測と説明を可能にするフレームワークを提供しようとする物理学の一分野です。

量子力学の基本的な側面には、量子化の概念が含まれます。 つまり、それ以上分解できないものの最小単位が存在します。 エネルギーは量子化されます。つまり、個別の単位で提供されます。

量子化された単位のサイズは通常、次のように記述されます。 プランク定数, ​h​ = 6.62607004 × 10^-34 m²kg / s。

量子力学のもう1つの側面は、すべての粒子が実際には粒子と波動の二重性を持っているという概念です。つまり、粒子が粒子として機能することもあれば、波として機能することもあります。 実際、それらはいわゆる波動関数によって記述されます。

量子の奇妙さには、粒子が波のように振る舞うかどうかは、どういうわけかあなたがそれを見ることに決めた方法に依存するという概念が含まれています。 また、粒子の特定のプロパティ（スピンの方向など）は、測定するまで明確な値を持っていないようです。

そうです、測定するまでわからないだけでなく、実際の明確な値は測定するまで存在しません。

量子力学は、古典物理学と比較することで最もよく理解できるかもしれません。古典物理学は、あなたがよりよく知っていると思われる日常の物体の物理学です。

最初の大きな違いは、各ブランチがどのレルムに適用されるかです。 古典物理学は、投げられたボールなど、日常のサイズのオブジェクトに非常によく適用されます。 量子力学は、陽子や電子などの非常に小さい物体に適用されます。

古典物理学では、粒子と物体は任意の時点で明確な位置と運動量を持ち、両方とも常に正確に知ることができます。 量子力学では、オブジェクトの位置を正確に知るほど、その運動量を正確に知ることはできません。 粒子は、常に明確な位置と運動量を持っているとは限りません。 これはハイゼンベルグの不確定性原理と呼ばれます。

古典物理学は、何かが持つことができるエネルギー値が連続的であることを前提としています。 しかし、量子力学では、エネルギーは個別のチャンクに存在します。 たとえば、原子内の電子などの亜原子粒子は、異なるエネルギーレベルのみを占めることができ、その間の値を占めることはできません。

因果関係がどのように機能するかも異なります。 古典物理学は完全に因果関係があります。つまり、初期状態の知識により、何が起こるかを正確に予測することができます。

量子力学には、異なるバージョンの因果関係があります。 粒子は量子力学によって記述されます 波動関数、測定時に何が行われるかについての相対的な確率を示します。 その波動関数は、時間の経過とともにどのように「進化」するかという物理法則に従い、測定によって得られる可能性のある予測可能な「確率雲」を残します。

多くの有名な科学者が長年にわたって量子論に貢献し、その貢献により多くの人がノーベル賞を受賞しました。 確かに、量子力学の発見と開発は革命的でした。 量子論の始まりは1800年代にさかのぼることができます。

• 物理学者のマックス・プランクは、エネルギーの量子化によって黒体放射の現象を説明することができました。
• その後、アルバートアインシュタインはの説明を開発しました 光電効果 光を波ではなく粒子として扱い、量子化されたエネルギー値を与えることによって。
• ニールス・ボーアは、水素原子に関する研究で有名であり、量子力学的原理の観点からスペクトル線を説明することができました。
• Louis de Broglieは、電子などの十分に小さい粒子も粒子と波動の二重性を示すという考えを示しました。
• エルヴィンシュレディンガーは彼の有名な シュレディンガー方程式、波動関数が時間とともにどのように進化するかを説明します。
• ヴェルナーハイゼンベルクは、 不確定性原理、これは、量子粒子の位置も運動量も確実に知ることができないことを証明しました。
• ポール・ディラックは反物質の存在を予測し、一般相対性理論と量子論の調和に向けた一歩を踏み出しました。
• ジョンベルはベルの不等式で知られており、隠れた変数がないことを証明しました。 （言い換えれば、量子粒子を知らないというだけではありません スピン または測定前のその他のプロパティですが、実際には測定前の明確な値はありません。）
• リチャードファインマンは、量子電気力学の理論を開発しました。

量子力学は非常に奇妙で直感に反するため、さまざまな科学者がさまざまな解釈を開発しました。 何が起こるかを予測する方程式は1つです。それらは、 観察–しかし、それらが実際に何を意味するのかを理解することは、より哲学的な問題であり、多くの影響を受けてきました ディベート。

アインシュタインは、次の4つの特性に基づいてさまざまな解釈を特徴づけました。

• 測定前にプロパティが実際に存在するかどうかに関係するリアリズム。
• 現在の量子論が完全であるかどうかに対処する完全性。
• ローカルリアリズム、リアリズムがローカルの即時レベルに存在するかどうかに関係するリアリズムのサブカテゴリ。
• 決定論。これは、量子力学が決定論的であるとどれだけうまく信じられているかに関係します。

量子力学の標準的な解釈は、コペンハーゲン解釈と呼ばれます。 それは1927年にコペンハーゲンにいる間にボーアとハイゼンベルクによって策定されました。 本質的に、この解釈は、量子粒子がすべてであり、それについて知ることができるすべてが波動関数によって記述されると述べています。 言い換えれば、量子力学のすべての奇妙さは本当に奇妙であり、それが実際の状況です。

別の見方は、量子の確率的結果を排除する多世界解釈です。 考えられるすべての結果が実際に発生するが、現在のブランチであるさまざまな世界で発生することを示すことによる観察 現実。

隠れた変数理論は、量子世界には、次のような予測を行うことを可能にするものが他にもあると述べています。 確率に基づくものではありませんが、これらの予測を提供する特定の隠れた変数を明らかにする必要があります。 言い換えれば、量子力学は完全ではありません。 しかし、ベルの不等式は、隠れた変数がローカルレベルに存在しないことを証明しました。

パイロット波理論としても知られるDeBroglie-Bohm理論は、ベルの不等式と矛盾しないグローバルなアプローチで隠れた変数の概念に対処します。

当然のことながら、科学者は1世紀以上にわたって量子世界の真に奇妙な性質を理解しようと努めてきたため、他にも多くの解釈が存在します。

多くの有名な実験がその過程で行われ、量子論のさまざまな側面を導き、証明しました。

非常に有名な実験の1つは、科学者のアインシュタイン、ポドルスキー、ローゼンにちなんで名付けられたEPR実験です。 この実験は、量子システムにおけるエンタングルメントのアイデアを扱いました。 2つの電子を考えてみましょう。どちらもスピンと呼ばれる性質を持っています。 それらのスピンは、測定されると、上位置または下位置のいずれかにあります。

単一の電子のスピンを測定する場合、50％の確率で上昇し、50％の確率で下降します。 結果は、量子力学ごとに事前に予測することはできません。 ただし、この実験では、2つの電子が絡み合ってそれらの結合スピンが0になります。 しかし、量子力学によれば、どちらがスピンアップし、どちらがスピンダウンするかはまだわかりません。 実際、どちらもどちらの位置にもなく、代わりに両方の「重ね合わせ」にあると言われています 状態。

これらの2つの絡み合った電子は、スピンを同時に測定する異なるデバイスに反対方向に送られます。 それらは測定中に十分に離れているため、どちらの電子も目に見えない「信号」をもう一方の電子に送信して、そのスピンが何として測定されているかを知らせる時間がありません。 それでも、測定が行われると、両方が反対のスピンを持つように測定されます。

シュレディンガーの猫 は、量子の振る舞いの奇妙さを説明し、ポーズをとることを目的とした有名な思考実験です。 測定が本当に意味するものと、猫などの大きな物体が量子を表示できるかどうかの問題 動作。

この実験では、猫は箱の中にいると言われているので、観察者は猫を見ることができません。 猫の生命は、量子イベントに依存します。たとえば、電子のスピンの向きなどです。 スピンアップすると猫は死にます。 スピンダウンすれば猫は生きます。

しかし、箱の中の猫のように、電子の状態は観察者から隠されています。 だから問題は、箱を開けるまで、猫は生きているのか、死んでいるのか、それとも電子が測定されるまでのような奇妙な状態の重ね合わせにあるのかということです。

しかし、誰もそのような実験を行ったことがなく、量子知識を追求するために猫に危害を加えたことはありませんので、ご安心ください。

1900年代は、物理学が本格的に始まった時期でした。 古典力学はもはや非常に小さい世界、非常に大きい世界、または非常に速い世界を説明することができませんでした。 多くの新しい物理学の分野が生まれました。 これらの中には：

• ​場の量子論：フィールドの概念を量子力学および特殊相対性理論と組み合わせた理論。
• ​素粒子物理学：すべての基本的な粒子とそれらが互いに相互作用する方法を説明する物理学の分野。
• ​量子コンピューティング：より迅速でより良い処理を可能にする量子コンピューターを作成しようとする分野 そのようなコンピュータの動作が量子力学に基づいているため、暗号化 原則。
• ​特殊相対性理論：光速の近くを移動するオブジェクトの動作を説明する理論は、光速より速く移動できるものはないという概念に基づいています。
• ​一般相対性理論：重力を時空の曲率として説明する理論。