最小スケールでの物理学
量子物理学
量子物理学では、原子、粒子、場が小さなビリヤード ボールのように振る舞うことをやめ、確率、波、個別のパケットのように振る舞い始める物質とエネルギーを研究します。
説明する内容
古典物理学では、落下するリンゴ、惑星、エンジン、水中の波について説明します。量子物理学は、原子が安定している理由、光が光子と呼ばれるパケットで到達できる理由、電子が特定のエネルギーレベルのみを占める理由、測定によってシステムについて知ることができることがなぜ変化するのかなど、その下の層を説明します。これは、日常の直観が粗すぎて自然を正確に説明できない場合に使用される理論です。
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指します。 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。これらの手がかりは、エネルギーが常に連続的ではないことを示唆していました。 1920 年代までに、物理学者は原子、光、素粒子に関する新しい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のカテゴリーにきれいには当てはまりません。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表されます。光は波のように広がり、干渉することができますが、光子として交換されます。量子物理学では、この二重の動作を一時的な混乱ではなく、理論の基本的な特徴として扱います。
奇妙な部分
量子物体は、考えられる結果の数学的要約である波動関数によって記述されます。測定の前に、理論は 1 つの固定された結果ではなく確率を予測することがよくあります。これが、量子物理学が直観に反すると感じる理由です。量子物理学は、不確実性を単なる人間の知識のギャップではなく、自然の構造の一部として扱います。ただし、理論は曖昧ではありません。その確率予測は科学の中でも最も正確です。
測定と不確かさ
量子物理学における測定は、単に既存の小さな物体を観察することではありません。測定という行為は、結果を生み出す物理的な相互作用の一部です。不確定性原理によれば、位置と運動量などの特定の量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。これは量子状態に組み込まれた制限であり、単に機器の弱点ではありません。
なぜそれが重要なのか
現代のテクノロジーは量子のアイデアに基づいています。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。原子時計は正確な量子遷移に依存しています。 MRI 装置、太陽電池、LED、トランジスタ、および多くの化学モデルはすべて量子理論に依存しています。量子コンピューティングでは、重ね合わせともつれが特定の問題を新しい方法で解決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、客観的崩壊などの解釈は、同じ実験的予測の背後にある現実の異なる像を提供します。量子物理学は単なるツールキットではないため、この議論は重要です。また、因果関係、情報、物理的事実として何が重要かについての考えにも疑問を投げかけます。