量子物理学
量子物理学は、古典的な直観が崩れるスケールで物質、エネルギー、粒子、場を研究します。それは、なぜ原子が安定しているのか、なぜ光がパケットで到着できるのか、なぜ結果が確率的なものであるのか、そしてなぜレーザー、トランジスタ、原子時計、MRI、量子コンピューターなどの最新のツールが可能なのかを説明します。
量子物理学が説明するもの
古典物理学は、惑星、落下物体、エンジン、音波、および日常の動きの多くを説明します。量子物理学は、原子、電子、光子、分子、半導体、化学結合、放射性崩壊、非常に小さなスケールでの物質とエネルギーの挙動など、その下の層を説明します。これは、明確な経路と継続的なエネルギーに関する通常の考えが機能しなくなったときに科学者が使用するフレームワークです。
量子のアイデアはどのように始まったのか
量子という言葉は離散的な量を意味します。 1900 年頃、マックス プランクは、エネルギーが小さなパケットに入っている場合に意味のある方法で、熱い物体がエネルギーを放射することを発見しました。アルバート・アインシュタインは光電効果を説明するために光量子を使用しました。ニールス・ボーアは量子化されたエネルギー準位を原子に適用し、1920 年代までにヴェルナー・ハイゼンベルク、エルヴィン・シュレーディンガー、マックス・ボルン、ポール・ディラックなどが量子力学の数学理論を構築しました。
粒子と波
量子物体は、粒子や波動といった古いカテゴリーにきちんと収まりません。電子は局所的なイベントとして検出器に衝突する可能性がありますが、検出前の電子の挙動は波のような確率で記述されます。光は波のように広がり、干渉し、回折することができますが、光子として放出および吸収されます。量子物理学では、この波動粒子の挙動は一時的な混乱ではなく、自然の基本的な特徴として扱われます。
波動関数と確率
量子システムは、波動関数、またはより一般的には量子状態によって記述されます。この数学的対象は、通常、保証された 1 つの未来を教えてくれるものではありません。これにより、科学者がさまざまな測定結果の可能性を計算できる確率の振幅が得られます。この理論は確率的ですが、ゆるいものではありません。システムと実験が適切に記述されている場合、その予測は非常に正確になります。
測定と不確かさ
量子物理学における測定は、すでにすべての特性が固定されている小さな物体を受動的に観察するだけではありません。測定は、結果を生み出すのに役立つ物理的な相互作用です。不確定性原理によれば、位置と運動量などのいくつかの特性のペアに同時に無制限の精度を割り当てることはできません。この限界は量子状態に組み込まれており、単に貧弱な機器によって引き起こされるものではありません。
重ね合わせともつれ
重ね合わせとは、量子状態を測定前に考えられる結果の組み合わせとして記述できることを意味します。もつれとは、2 つ以上のシステムが分離されていても 1 つのリンクされた量子記述を共有できることを意味します。もつれによって人々は光より速くメッセージを送信できるわけではありませんが、事前に書かれた答えを運ぶ独立したオブジェクトの単純な古典的な図では説明できない相関関係が生じます。
なぜそれが重要なのか
量子物理学は、研究室にとっては奇妙な理論であるだけではありません。半導体は固体中の電子の挙動に依存します。レーザーは制御された光子の放出を使用します。原子時計は量子遷移に依存しています。 MRI 装置、LED、太陽電池、電子顕微鏡、化学モデル、および多くのセンサーは量子理論に依存しています。量子コンピューティングと量子通信は、重ね合わせともつれが新しい種類の情報処理をサポートできるかどうかを探ります。
まだ議論されていること
物理学者は量子結果の計算方法についてはおおむね同意していますが、数学が何を意味するかについては全員が同意しているわけではありません。コペンハーゲン、多世界、パイロット波理論、関係量子力学、客観崩壊モデルなどの解釈は、同様の実験的予測の背後にある現実の異なる像を提供します。この議論が重要なのは、量子物理学が因果関係、情報、局所性、測定、および物理的事実として何が重要かについての古い考え方に疑問を投げかけるからです。