単語記事: 量子力学

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量子力学とは、原子スケールの微視的対を扱う物理学の理論である。

概要

古典力学々が日常的に体感しているスケールにおける物理を取り扱う上で有効である一方、原子スケールの現を説明しようとすると矛盾が生じる。(例えば、古典的な模型では原子が安定に存在することはありえない。)
これに対して、微視的な現をより正確に記述する理論が量子力学である。

この理論では粒子の波動性そして波動の粒子性、それに伴う物理量の不確定性原理といった、日常では考えられないような概念が取り入れられる。また、その帰結として運動量やエネルギーの離散化(量子化)やトンネル効果といった興味深い現明らかにされる。

量子力学素粒子物理学、物性物理学化学などの分野で大きな成功をおさめている。工学においては半導体、磁性体など幅広く応用されている。また、与えた影生物学や哲学に及ぶ。一方で量子力学の解釈を巡っては今なお議論が続いている(観測問題)。

量子とは

自然界には連続な量と不連続な量がある。例えば距離や経過時間はいくらでも微小な間隔に分けられるので、連続量である。一方、電荷の大きさなどは電子の持つ電荷(素電荷)の大きさの整数倍の値しかとりえないので、不連続量である。不連続量が、ある単位量の整数倍であるとき、その単位を量子と呼ぶ。

古典力学ではエネルギー運動量といった物理量は連続量であると考えられていたが、量子力学によって、どちらの量も多くの場合不連続な値をとることがわかった。このような状況を「エネルギーが量子化された」などと表現する。(量子化という言葉は、古典論として与えられた物理理論から、量子論へ移行するための数学的手続きを意味することもある。正準量子化、経路積分量子化、確率過程量子化がある)

量子論が形成され始めた頃は、古典論では連続だった量が不連続な値をとることが特に注を集めたために「量子」論という名が付いた。しかし、完成された量子論から見れば、不連続になるという点は量子論の本質ではない。従って「量子」というのは単なる理論の呼び名だと思っておけばよい。

物質波の概念

電効果の研究により、には々が通常粒子と捉えるような性質があることが明らかとなった。このことは、古典的な粒子描像が誤りを含むことを示唆している。これを受けてド・ブロイは、粒子が波動性を持つとする物質波の概念を提唱した。

粒子が波動性を持つということは、粒子が波長や振動数を持ち、回折や干渉といった波動特有の現が起きるということを意味する。電子が波動性を持つことは実験的に明されており、以下の動画はその例を示している。

この動画の状況を簡単に説明する。電子を発射し、けたスリット()を通してスクリーン投影するという、波動では染みのある実験を行っている。っている部分は電子がその位置に到達したことを意味している。電子が次々に発射されていくと、次第に明暗のパターンが形成されていく。電子波がスリットを通ることで得られた干渉縞である。

物質波を記述する波動方程式は以下で与えられる。
{-(h/2π)22/2m+V(x)}ψ(x,t)=i(h/2π)∂tψ(x,t)
これは発見者の名を冠してシュレーディンガー方程式と呼ばれる。古典力学におけるニュートン運動方程式と同様、この式は量子力学の基礎方程式となっている。

物質波の概念から得られる重要な結果がある。
粒子の波動性が顕著になるとき、粒子は間を広がっており、どの位置にいるのかわからなくなる。
一方粒子性が顕著になるとき、粒子の位置は特定できるが、運動量がわからなくなる(運動量は物質波の波長によって決まるが、粒子性が顕著な場合には波長を決定することができない)。
従って、量子力学において位置と運動量は同時に決定することのできない不確定な量であると結論される。
これを不確定性原理と呼び、以下の式で表わされる。
ΔxΔp≥h/4π
位置と運動量のみならず、同時観測不可能な量の間には常に不確定性関係が成り立つ。

観測問題

上記の波動方程式の解(波動関数)Ψ(x,t)が、物理的には何を意味するのかが当初問題となった。
これに対する解答として現在最も有なのは確率解釈であり、
波動関数絶対値の二乗が、粒子の存在する確率の密度に相当する、とされる。
雑に表現するならば、『実験によって時刻t、位置xに粒子を観測する確率』とも捉えられる。

粒子を波動関数で記述できることが何を意味するのかという疑問は未だ解決していない。
その解釈には以下のようなものがある。

  1. 測定されるまでの粒子の位置は問わないという考え方
  2. 粒子は間のある一点に存在するが、その位置を確率分布でしか予言することができないとする考え方

1番コペンハーゲン解釈とよばれるものがこれにあたる。実験結果と合うので流を占めている解釈である。しかし、実験によって粒子の位置を特定した場合、広がっていたはずの波動関数が一点に収束するはずである。この収束を前提として受け入れるという立場なので、いつ、どのように収束するのかを説明することができない。また、そもそも観測とはなんなのか、という疑問も生じる。有名な思考実験であるシュレーディンガーの猫は、この点を明快に摘している。(詳細は当該記事を参照)

コペンハーゲン解釈での不満な点を解消するものとして世界解釈なるものが提案されている。ただし、本当に観測問題の解決になっているかについては疑問視するもあり、議論が続いている。

2番は局所的な隠れた変数理論というものでアインシュタインらがとった立場である。確率的な予言しかできないのは量子力学が不全な理論だからで、背後により根的な理論がある、と考える。このような理論では量子力学とは違う結果を予言することがあり、実験によって否定されている。

このような、量子力学における観測と解釈に関わる問題は、観測問題と呼ばれ、未だに結論は得られていない。しかしながら量子力学に実用上の問題があることを意味するわけではない。

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読み:リョウシリキガク
初版作成日: 09/02/25 23:10 ◆ 最終更新日: 16/08/27 06:38
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量子力学について語るスレ

93 : ななしのよっしん :2016/12/14(水) 19:56:32 ID: jb3AcpuswY
量子力学は流石にアインシュタインでも理解できなかったのかもしれない
94 : ななしのよっしん :2016/12/24(土) 02:06:57 ID: syWGiteVuH
「不確定性原理」は「不確定性関係」にしたほうが適切
不確定性は状態の重ね合わせから導かれる関係式で原理とは言いづらい
95 : ななしのよっしん :2016/12/27(火) 22:40:13 ID: W1N7SGJ5i2
>>91
「nの3乗」はいつもトンチンカンな書き込みしていてスルー推奨されてるコテハンだから注意
96 : ななしのよっしん :2017/01/29(日) 22:59:45 ID: zAzix7sWOl
>>88
>この宇宙がいくら広いとはいえ
宇宙は「限に」広い→物理的に可な全事100%起こる

正確には開いた宇宙か閉じた宇宙かの2択だが、2択じゃ奇跡じゃないよね
宇宙自体が量子ゆらぎで限に湧き出すものだとか。だから閉じてようが限に変わりない

確率でも限回くりかえせば必ず起こる。スケールでかいけど普通確率の話
宝くじに当選者が存在する」のは奇跡でないのと同じ

むしろ、この世界のこの間と同じ状況が限に繰り返されることにこそ衝撃を受けてほしい
正しいとは限らないがさしあたりもっともありそうなモデルだから、現実の話なんだよね
他のモデルだともっと異様な仮定を必要とする
97 : ななしのよっしん :2017/01/29(日) 23:27:53 ID: zAzix7sWOl
ちなみに

物理学者のマックス・テグマークによれば、10の(10の115乗)乗m先には、
観測可137光年の範囲(宇宙地平線より内)とまったく同一の領域が存在しなければならない

…らしい(三浦教授の『思考実験リアルゲーム』より)

そこには人類含め今この間の地球と原子レベルからまったく同じ地球がある。太陽系銀河系も全部コピー
ちなみに宇宙の果てというのは観測可な半径であって存在としての宇宙の広さの限界ではない
観測できないならいと同じじゃね?は常識的に考えて変。量子力学でもそんなことは言わない
98 : ななしのよっしん :2017/04/05(水) 17:09:43 ID: lLeJGfFtzU
?10の(10の115乗)乗m間隔で原子レベルからまったく同じ宇宙が何処までも存在してるって事?
99 : ななしのよっしん :2017/04/05(水) 18:14:18 ID: v8xXBk5XUN
いや、宇宙限の広さを持っていれば々から見える観測可宇宙と全く同じものがいくらでも存在しうるということ。どんなに小さい可性でも体積が限大なら100%も同然だからね。

ただ、「宇宙の広さは限」という考えは今や科学世界では少数。そうでなければ「初期宇宙は体積限小」というビッグバン矛盾するからね(宇宙は誕生当時から限の広さだったという考えもあるが、そうなると連続体仮説を解かなければならない)

いまのところ「宇宙の広さは1000光年以上」というのが定説。だから多分この世界には「第二の地球」はまずありえない。
100 : ななしのよっしん :2017/04/05(水) 18:23:11 ID: v8xXBk5XUN
http://news.mynavi.jp/news/2017/03/22/171/
正確な時計を作ると周囲の時間が狂う。時間にも観測の限界や観測者効果がある。
101 : ななしのよっしん :2017/04/05(水) 22:12:49 ID: lLeJGfFtzU
そういう話?「まったく同一の領域が存在しなければならない」ていうのがつまりその距離三次元間的に一定間隔で並んでるような感じになるのかと思ったんだが。
限で片がつく話なら態々10の(10の115乗)乗ていう数字を持ち出す理由くないか?可性がというよりその数字付近に何か特別な区切り(同一宇宙の存在を数学的に保するような)となる値が存在してるっていう意味ではないんかね


102 : ななしのよっしん :2017/04/06(木) 06:23:22 ID: lLeJGfFtzU
原文はこういうに書いてるのか。
物理学マックス・テグマークの計算によれば、地球からだいたい(10の(10の115乗)乗メートル)離れた距離の範囲内には、この観測可な半径137光年に相当する領域と寸分違わぬ領域がもう一度登場しなければならないという。」

「先には」じゃなく「距離の範囲内」か。で「もう一度登場しなければならない」これが引っ掛かるな。存在する確率○○%(十分に高い数値)とかじゃなく「登場しなければならない」てことは理論上は100%存在してる事になるって話なのか?
「〜m先」っていうとどうもその距離だけ離れたところにあるって感じなんだがな。でそのまた10の(10の115乗)乗メートル先にも全く同一の宇宙が広がってて、宇宙限なら同一の宇宙が幾らでもあるという事になるが。
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