量子力学は、古典物理学とは非常に異なる法則に従います。 アルバート・アインシュタイン、エルヴィン・シュレディンガー、ヴェルナー・ハイゼンベルク、ニールス・ボーア、ルイ・ド・ブロイ、デヴィッド・ボーム、ヴォルフガング・パウリなど、多くの影響力のある科学者がこの分野で働いてきました。
量子物理学の標準的なコペンハーゲン解釈は、知ることができるすべてが波動関数によって与えられると述べています。 言い換えれば、量子粒子の特定の特性を絶対的に知ることはできません。 多くの人がこの概念を不安定に感じ、あらゆる種類の思考実験と代替解釈を提案しましたが、元の解釈と一致する数学は依然として裏付けられています。
波長と位置
ロープを上下に繰り返し振って、ロープを伝わる波を作ることを考えてみてください。 波長が何であるかを尋ねるのは理にかなっています-これは測定するのに十分簡単です-しかし波は実際にはロープに沿った連続的な現象であるため、波がどこにあるかを尋ねるのはあまり意味がありません。
対照的に、単一の波パルスがロープを下って送信される場合、それがどこにあるかを特定することは簡単になりますが、それは波ではないため、その波長を決定することはもはや意味がありません。
また、その間のすべてを想像することもできます。たとえば、波束をロープに沿って送信することです。たとえば、位置はある程度定義されており、波長も同様ですが、両方が完全ではありません。 この違いは、ハイゼンベルグの不確定性原理の中心にあります。
波動粒子の二重性
光子と電磁放射という言葉は、別物のように見えますが、同じ意味で使われているのが聞こえます。 光子について話すとき、彼らは通常、この現象の粒子特性について話します、 一方、電磁波や放射について話しているときは、波のように話している プロパティ。
光子または電磁放射は、いわゆる粒子と波動の二重性を示します。 特定の状況および特定の実験では、光子は粒子のような振る舞いを示します。 この一例は、表面に当たる光が電子の放出を引き起こす光電効果です。 この効果の詳細は、光が放出されるために電子が吸収しなければならない個別のパケットとして扱われる場合にのみ理解できます。
他の状況や実験では、それらは波のように振る舞います。 この典型的な例は、シングルスリットまたはマルチスリットの実験で観察された干渉パターンです。 これらの実験では、光は狭くて間隔の狭いスリットを通過し、その結果、波に見られるものと一致する干渉パターンを生成します。
さらに奇妙なことに、この二重性を示すのは光子だけではありません。 確かに、すべての基本的な粒子は、電子や陽子でさえ、このように振る舞うようです！ 粒子が大きいほど、その波長は短くなるため、この二重性は少なくなります。 これが、私たちが日常の巨視的なスケールでこのようなものにまったく気付かない理由です。
量子力学の解釈
ニュートンの法則の明確な振る舞いとは異なり、量子粒子は一種のあいまいさを示します。 彼らが何をしているのかを正確に言うことはできませんが、測定結果が何をもたらすかについての確率を与えるだけです。 そして、あなたの本能がこれが物事を正確に測定することができないためであると仮定することであるならば、少なくとも理論の標準的な解釈に関して、あなたは間違っているでしょう。
量子論のいわゆるコペンハーゲン解釈は、粒子について知ることができるすべてがそれを記述する波動関数内に含まれていると述べています。 より詳細な情報を提供する、追加の隠れた変数や、私たちが単に発見していないものはありません。 いわば基本的に曖昧です。 ハイゼンベルグの不確定性原理は、このあいまいさを固めるもう1つの開発です。
ハイゼンベルクの不確定性原理
不確定性原理は、1927年にコペンハーゲンのニールスボーアの研究所で働いていたときに、その同名のドイツの物理学者ヴェルナーハイゼンベルクによって最初に提案されました。 彼は、「量子論的運動学と力学の知覚的内容について」というタイトルの論文で彼の発見を発表しました。
原理は、粒子の位置と粒子の運動量（または粒子のエネルギーと時間）の両方を絶対的な確実性で同時に知ることはできないと述べています。 つまり、位置を正確に知るほど、運動量（波長に直接関係する）を正確に知ることはできません。逆もまた同様です。
不確定性原理の適用は数多くあり、粒子の閉じ込め（封じ込めに必要なエネルギーの決定）が含まれます 与えられた体積内の粒子）、信号処理、電子顕微鏡、量子ゆらぎとゼロ点の理解 エネルギー。
不確定性関係
主な不確定性関係は、次の不等式として表されます。
\ sigma_x \ sigma_p \ geq \ frac {\ hbar} {2}
ここで、ℏは縮小プランク定数であり、σバツそしてσpそれぞれ、位置と運動量の標準偏差です。 標準偏差の一方が小さいほど、補正するためにもう一方を大きくする必要があることに注意してください。 その結果、一方の値を正確に把握するほど、もう一方の値を正確に把握できなくなります。
追加の不確かさの関係には、角度の直交成分の不確かさが含まれます 運動量、信号処理の時間と周波数の不確実性、エネルギーと時間の不確実性、 等々。
不確実性の原因
不確かさの原因を説明する一般的な方法の1つは、測定の観点から説明することです。 たとえば、電子の位置を測定するには、何らかの方法で電子と相互作用する必要があることを考慮してください。通常、電子を光子または他の粒子で叩きます。
しかし、それを光子で打つという行為は、その勢いを変化させます。 それだけでなく、光子の波長に関連付けられた光子の測定には、ある程度の不正確さがあります。 より短い波長の光子でより正確な位置測定を達成することができますが、そのような光子はより多くのエネルギーを運ぶため、 電子の運動量に大きな変化を引き起こす可能性があり、位置と運動量の両方を完全に測定することが不可能になります 正確さ。
確かに測定方法では、説明したように両方の値を同時に取得することは困難ですが、実際の問題はそれよりも根本的なものです。 それは私たちの測定能力の問題だけではありません。 これらの粒子の基本的な特性は、明確に定義された位置と運動量の両方を同時に持たないことです。 その理由は、以前に行われた「弦の波」のアナロジーにあります。
巨視的測定に適用される不確定性原理
量子力学的現象の奇妙さに関して人々が尋ねる一般的な質問の1つは、なぜこの奇妙さを日常の物体のスケールで見ないのかということです。
量子力学が単に大きな物体に適用されないのではなく、大規模では無視できるほど奇妙な影響を与えることがわかりました。 たとえば、粒子と波動の二重性は、物質波の波長が非常に小さくなり、粒子のような振る舞いが支配的になるため、大規模には気づかれません。
不確定性原理については、不等式の右側の数がどれだけ大きいかを考慮してください。 ℏ/2 = 5.272859 × 10-35 kgm2/s. したがって、位置の不確かさ（メートル単位）と運動量の不確かさ（kgm / s単位）の積は、これ以上である必要があります。 巨視的なスケールでは、この限界に近づくことは、不可能なレベルの精度を意味します。 たとえば、1 kgの物体は、運動量が1.00000000000000000±10であると測定できます。-17 1.00000000000000000±10の位置にあるときのkgm / s-17 mそしてそれでも不等式を満たす以上のもの。
巨視的には、不確実性の不等式の右側は無視できるほど小さいですが、量子システムではその値は無視できません。 言い換えれば、この原理は依然として巨視的なオブジェクトに適用されます–サイズが原因で無関係になります！