hirachyuuのブログ

(5)「不確定性原理」とは

　量子は、既に述べたように「粒子」と「波動」の2重の性質を持ちます。量子は、「位置」を正確に測ろうとするとその「速度」が正確に測れなくなり、「速度」を正確に測ろうとするとその「位置」が正確に測れなくなります。
つまり量子の世界は常に「ゆらぎ」に支配されていて、私たち人間が『量子はここにあってこの速さで動いている』ということすら決めることができません。この量子の「位置」と「速度」を「確率的な波の広がり」として表す理論を「不確定性原理」といい、波動関数で表します。観測することもできず、再現性も無い量子を扱う「量子力学」は、それまでの実験物理学では到底説明のつかない理論物理学の世界です。

理論物理学とは、
・理論的な模型や理論的仮定（主に数学的な仮定）を基に理論を構築する物理学。
・既知の実験事実（観測や観察の結果）や、自然現象などを説明する物理学。
・未知の現象に対しても予想する物理理論を扱う分野の物理学。
・理論物理学は、実験物理学と対比して使われる言葉です。

(6)「量子ゆらぎ」と「真空のゆらぎ」

①「量子ゆらぎ」
　位置や運動量のように、実験によって観測可能な量を物理量と言います。 量子状態の物理量を観測したとき、全く同じ条件で、全く誤差のない計測を行ったとしても、一般にはその観測値はばらつきます。この不確定性を「量子ゆらぎ」と言います。

②「真空のゆらぎ」
　宇宙は「真空のゆらぎ」から生まれ、宇宙創成時に光子がゆらゆらゆらゆら揺らいで、生成したり消滅したりしているという理論です。エネルギー保存の法則が適用されず、観測することもできない真空の無限エネルギーを想定する机上の理論です。本当にそうなっているのか物理学者にも確認もできないことです。量子力学の世界は、通常の物理学では不可能なことが可能になる世界です。カシミール効果や量子コヒーレンス、トンネル効果なども一例です。
＊カシミール効果は、真空中で二枚の金属板がとても近くにあると、互いに引き合う力が働く現象です 。
　 この力は、金属板の間の真空のエネルギーが変化することによって生まれると考えられています。

（4）「量子力学」の理論と解釈

「量子力学」について、物理学者の間でも議論され、様々な理論・解釈が生まれました。そのいくつかを紹介します。（①～⑤）

①　コペンハーゲン解釈
コペンハーゲン解釈とは、ボーアの研究所がコペンハーゲンにあったので、名付けられました。「量子は物質ではなく、波動性を持った重ね合わせの状態のエネルギーとして存在し、外部からの観測のエネルギーを受けた瞬間に一点に収縮した粒子となって出現する。」という考え方です。「標準解釈」とも呼ばれるものです。
　量子レベルの物質は実際に観測されたものだけが物質化し、観測されない限り「そこにあるかもしれないし、ないのかもしれない」という可能性の波として存在しているということになります。

　コンピューターの父と呼ばれるジョン・ノイマンは、1932年に出版した「量子力学の数学的基礎」の中で、「コペンハーゲン解釈」以外の解釈は、数学的に成立できないと証明しました。当時の研究者は天才ノイマンが証明したので間違いないと思っていましたが、後で不完全なものとわかりました。
　その一つとして、「観測するまで実在性が無いとするなら、一匹のネズミが見ても、宇宙の状態が定まることになるのか？」というアインシュタイン博士の問いかけに答えることができないのです。

「コペンハーゲン解釈」は、現在の科学技術の道具として全く不自由なく、先進国の産業技術発展に利用されています。携帯電話やパソコンの半導体技術、また、DVD、レーザー、デジカメなども量子力学の理論なしにはできません。今後、さらにコンピューターなどにも実用化されていきます。

②　多世界解釈
　1957年エベレット3世が提唱。この考えは当初、受け入れられず数多くの紆余曲折が有り、次のような解釈にまとめられました。
・重ね合わせ状態をミクロとマクロに分けたりせず、世界の全てのものに適用される。
・波動関数は確率を計算するためのものではなく、宇宙全体に渡って実在している。
・波動関数は収縮などせず、あらゆる可能性が並行に同時に存在していて、観測した瞬間に一つの世界に入り込むようイメージとする解釈。

「コペンハーゲン解釈」は、観測されない物は語らず、観測した物だけを扱う「実証主義」、一方、「多世界解釈」は、全ての物が実在するという「実在主義」です。
「多世界解釈」は、「コペンハーゲン解釈」で解決できなかった、「二重スリット実験」と「量子もつれ」における観測者効果を両方とも矛盾なく説明できる解釈として注目されています。ただ、実証した人はなく仮説の段階ですが、最先端物理学者の間では真剣に検討、議論されています。
　多世界解釈のことを「パラレルワールド」とも言い、並行世界、並行宇宙、並行時空とも言われています｡

③　マルチバース理論
　複数の宇宙の存在を仮定した理論物理学の解釈。多元宇宙 は、理論として可能性はありますが、実証ができません。

④　意識解釈
人間の意識によって波動関数の収縮が起こるとする解釈。人の意識自体が、科学ではまだ解明されていない上、理論的な裏付けや実証が難しく哲学と合わせて考察されることが多く、可能性として否定できない解釈です。

⑤　テレパシー論
人間の意志こそが素粒子のあり方を制御するという解釈です。

②　量子もつれ

「量子もつれ」とは、2つ以上の量子が互いに関係していることを指し 、 例えば、1つの粒子の状態を測定すると、それと関係のある別の粒子の状態も同時にわかるということです。
2つの量子が強力な相関関係にあり、片方の状態によって、もう片方の状態が同時に確定する、というものです。何千光年離れていてもです、どんなに距離が離れていても、光の速さを超えて、情報が伝達するというのが「量子もつれ」です。
人間においても、親子関係、血縁関係、知人・友人関係等も、「量子もつれ」関係にあると言えるのかもしれません。

③　量子デコヒーレンス（波動関数の収縮）

・量子コヒーレンス
　量子の重ね合わせ状態、波動的な挙動のことを言います、量子が同時に二つ以上の状態をとることができることです。

・量子デコヒーレンス
　量子の重ね合わせ状態が崩壊して量子としての動きが失われることを言います。量子デコヒーレンスは量子力学の最大の特徴と言える面白い現象です。デコヒーレンスを起こす要素として外からの観測が作用して起こります。

量子力学は、数式上で「波動関数状態の量子が、一つの状態に収縮すること」を表して成立します。この現象を、”観測者効果(Observer Effect)”とも呼ばれます。

デコヒーレンスが起こる原因は「原子が周囲の物質と相互作用することによって起こる」ことを実験によって証明したセルジュ・アロシュ氏（仏）が、2012年のノーベル物理学賞を受賞しました。
しかし、その後も観測ができない量子の世界について、理論物理学者の間で、様々な仮説・理論と解釈が生まれ研究されています。

(3)　量子の「二重スリット実験」と「量子もつれ」、　波動関数の収縮「デコヒーレンス」

①「二重スリット実験」
　

　「二重スリット実験」は、世界で最も美しい10の科学実験（2022年フィジックスワールド読者投票）と言われています。量子は「粒子」と「波動」の二重性を持ち、量子のふるまいは以下のように理解されています。
・人間が「観測」していないときは「波動」である。
・人間が「観測」すると、「粒子」になる。
・「人間の意識」で、コントロールできる可能性がある。

「量子」は、波動性を持った状態でエネルギーとして存在し、外部からの観測のエネルギーを受けた瞬間に一点に収縮した『粒子』となって出現します。この”エネルギー状態の量子”が”『粒子』となって出現”する現象のことを波動関数の収縮（＝デコヒーレンス）、または「観測者効果」と呼びます。
「２重スリット実験」は、1974年までは思考実験でしたが、実験技術の向上によってその年に初めて実証実験が行われました。その後、1989年日立製作所の外村博士が追試を行い、現在に至ってます。

(2)　量子力学について

　量子力学は、『原子＞原子核＞陽子＞素粒子』と、原子のさらに奥側、ひいては物質の根源を科学的に解明しようとする分野です。即ち、見えない世界を科学する学問です。
　量子力学が登場する20世紀以前は、日常的に目撃する事柄は、全てニュートン力学によって証明されている時代でした。物体の「位置」や「運動量」(=質量✕速度）が分かれば、物体がこれからどうなるか必ず分かるという物理学です。
「絶対空間」「絶対時間」が原則となっています。しかし、20世紀に入ると広大な宇宙空間や極小の世界（量子）では、決定論なこの原則が通じないことが発見されました。「相対性理論」や「量子力学」の出現です。

　量子の世界は、原子や分子といったナノサイズ（1メートルの10億分の1）あるいはそれよりも小さな世界です。このような極めて小さな世界では、私たちの身の回りにある物理法則（ニュートン力学や電磁気学）は通用せず、量子力学というとても不思議な法則に従っています。
　 量子とは、粒子と波動の性質をあわせ持った、とても小さな物質やエネルギーの単位のことです 。物質を形作っている原子そのものや、原子を形作っているさらに小さな電子・中性子・陽子といったものが代表選手です。光を粒子としてみたときの光子やニュートリノやクォーク、ミューオンなどといった素粒子も量子に含まれます。（文部科学省HP）

【第8回科学の統一に関する国際会議1979年Rev.moon】
量子物理学は、物質の土台がエネルギーであることを確信していますが、私たちは今だにエネルギーの根源を知り得ず、それ以前の存在段階が何かもわからずにいます。またエネルギーが何故、どのようにして、それ以前の段階から存在の段階へと移行するのかもわかっていません。なぜ多様な分子が存在するようになったのか、なぜ分子は陽イオンと陰イオンという独特な形態を持っているのか、などという問題はいまだに明白になっていません。