量子物理学について誰もが知っておくべき6つのこと

量子物理学は通常、最初から威圧的です。 毎日それを扱っている物理学者にとってさえ、それは奇妙で、直感に反しているように見えるかもしれません。 しかし、理解できないわけではありません。 量子物理学の本を読むなら、量子物理学に関する6つの重要な概念を覚えておくとよいでしょう。 2016>

Everything Is Made Of Waves; Also, Particles

この種の議論を始める場所はたくさんありますが、これは、宇宙のすべてのものが粒子と波の両方の性質を同時に持っている、ということになります。 グレッグ・ベアーのファンタジー二編（「無限協奏曲」と「蛇遣い座」）に、魔法の基本を説明する登場人物が、「すべては波であり、何も波立たず、まったく距離がない」と言う一節があります。 私はいつも、量子物理学の詩的な説明として、この言葉がとても気に入っています–心の底では、宇宙のすべては波の性質を持っているのです。 これは完全にクレイジーに見えますが、驚くほど身近なプロセスで解決された実験的事実です：

（TED-Edで行ったこのアニメ版もあります）

もちろん、実際の物体を粒子と波の両方として記述することは必然的にやや不正確な表現になります。 正しくは、量子物理学が記述する物体は粒子でも波でもなく、波の特性（特徴的な周波数と波長、空間への広がり）と粒子の特性（一般的に数えられる、ある程度局在化できる）を共有する第3のカテゴリーであると言えます。 このため、物理教育界では、物理学の入門コースで光を粒子として語ることが本当に適切かどうか、活発な議論が行われています。光に粒子としての性質があるかどうかについて論争があるわけではなく、光子を「量子場の励起」ではなく「粒子」と呼ぶと、学生の誤解を招く可能性があるというのがその理由です。 電子を「粒子」と呼ぶことについても同じ懸念があるため、私はこれに同意しない傾向にありますが、ブログの会話の信頼できるソースにはなります。

量子オブジェクトのこの「3番目の扉」の性質は、物理学者が量子現象について話すときに使う、ときに混乱を招く言葉に反映されています。 ヒッグス粒子は粒子として大型ハドロン衝突型加速器で発見されましたが、物理学者が「ヒッグス場」を空間全体を満たす非局在的なものとして話すのを聞くこともあります。 これは、衝突型加速器実験のような状況では、ヒッグス場の励起を粒子的な特徴を強調する形で議論した方が都合がよく、一方、ある粒子になぜ質量があるのかという一般的な議論のような状況では、宇宙を満たす量子場との相互作用という形で物理を議論した方が都合がよいからです。 同じ数学的対象を異なる言葉で表現しているだけなのです。

Quantum Physics Is Discrete

それは名前の通りです–「量子」という言葉は「どのくらい」という意味のラテン語に由来し、量子モデルには常に何かが不連続にやってくるという事実が反映されているのです。 量子場に含まれるエネルギーは、ある基本的なエネルギーの整数倍でやってきます。 光については、これは光の周波数と波長に関連しており、高周波で波長の短い光は大きな特性エネルギーを持ち、低周波で波長の長い光は小さな特性エネルギーを持ちます。

しかし、どちらの場合も、特定の光の場に含まれる全エネルギーは、そのエネルギーの整数倍、つまり 1、2、14、137 倍で、1/2 や π、2の平方根などの奇妙な分数は存在しないことが分かっています。 この性質は、原子のエネルギー準位や固体のエネルギーバンドにも見られるもので、あるエネルギー値が許され、他のエネルギー値は許されない。 原子時計は、量子物理学の離散性によって機能し、セシウムの許容される2つの状態間の遷移に伴う光の周波数を使って、先週話題になった「うるう秒」を必要とするレベルで時間を刻んでいるのである。

超精密分光法は、暗黒物質のようなものを探すためにも使用でき、低エネルギー基礎物理学研究所の動機の一部となっています。

これは必ずしも明らかではありません–黒体放射のように、根本的に量子であるいくつかのものですら、連続分布を含むように見えるのです。 しかし、数学を掘り下げれば、根底にある現実には必ず粒度のようなものがあり、それが理論の奇妙さにつながっている部分が大きいのです。

Quantum Physics Is Probabilistic

量子物理学の最も驚くべき、（少なくとも歴史的には）論争の的になっている点の一つは、量子系に対する単一の実験の結果を確実に予測することは不可能であることです。 物理学者がある実験の結果を予測するとき、その予測は常に、特定の可能な結果のそれぞれを見つけるための確率の形をとり、理論と実験の間の比較は常に、多くの繰り返し実験から確率分布を推論することを含みます。

量子系の数学的記述は、一般に、ギリシャ文字の psi: で方程式を表す「波形関数」の形をとります。 波動関数は物理的に実在すると考える人たち（専門用語では「オンティック」理論、気の利いた人はその支持者を「サイ・オントロジスト」と呼ぶ）と、波動関数は単に特定の量子オブジェクトの基礎的状態に関する我々の知識の表現（またはその欠如）だと考える人たち（「エピステミック」理論）に大きく分けられ、厳密にこの関数が何を表すかについて多くの議論があります。

どちらのクラスの基礎モデルでも、ある結果を見つける確率は、波動関数によって直接与えられるのではなく、波動関数の2乗によって与えられます（とにかく大雑把に言えば、波動関数は複雑な数学的対象であり（つまり、負の1の平方根のような虚数を含む）、確率を求める演算は若干複雑になりますが、基本概念を理解するには「波動関数の2乗」でいいのです）。 これは、最初にこれを提案したドイツの物理学者マックス・ボルン（1926年の論文の脚注）の名をとって「ボルン則」と呼ばれ、人によっては醜いアドホックな追加と感じるようである。 量子基礎学会の一部では、ボルン則をより基本的な原理から導き出す方法を見つけようと活発に活動していますが、現在までのところ、いずれも完全には成功していません。 私たちが予測できるのは確率だけで、特定の結果を決定する測定の前には、測定されるシステムは、数学的には異なる確率を持つすべての可能性の重ね合わせに対応する不確定な状態になっているのです。 これをシステムが本当に一度にすべての状態にあると考えるか、それとも単に1つの未知の状態にあると考えるかは、オンティックモデルとエピステミックモデルについての感覚に大きく依存しますが、これらは両方ともリストの次の項目からの制約を受けます：

Quantum Physics Is Non-Local

アインシュタインが物理学に与えた最後の大きな貢献は、そのほとんどが彼が間違っていたため、広く認識されることはなかった。 アインシュタインは、後輩のボリス・ポドルスキーとネイサン・ローゼンとの 1935 年の論文 (「EPR論文」) で、以前から気になっていたこと、現在では「もつれ」と呼ばれている考え方を明確に数学的に記述した。

EPR論文では、大きく離れた場所で行った測定結果が、一方の結果によって決定されていると示唆する方法で相関できるシステムの存在を、量子物理学で認めていると主張した。 このことは、一方の測定結果を他方の測定場所に光速より速い速度で伝達する必要があるため、測定結果が何らかの共通の要因によって事前に決定されていなければならないことを意味すると主張した。 したがって、量子力学は不完全であり、より深い理論（「局所的な隠れた変数」理論、つまり、特定の測定の結果は、信号が光速で移動できるよりも測定位置から遠いものには依存せず、もつれたペアの両方のシステムに共通の何らかの要因（「隠れた変数」）により決定されるもの）に対する単なる近似でなければならないのです。

このことは、30年ほどは検証のしようがないように思われ、奇妙な脚色とみなされていましたが、1960年代半ばにアイルランドの物理学者ジョン・ベルがEPR論文の結果をより詳細に調べました。 ベルは、E、P、Rが好むタイプのどんな理論よりも強い、離れた測定値の間の相関を量子力学が予測する状況が見つかることを示しました。これは1970年代半ばにジョン・クラウザーによって実験的に検証され、1980年代初めのアラン・アスペクトによる一連の実験によって、これらのもつれシステムはどんな局所隠れ変数理論によっても説明できないことが決定的になったと広く見なされています。

この結果を理解するための最も一般的なアプローチは、量子力学は非局所的である、つまり、特定の場所で行われた測定の結果は、光速で動く信号を使って説明できない方法で、遠くの物体の性質に依存しうる、と言うことです。 しかし、光速を超える速度で情報を送ることはできない。しかし、量子非局所性を利用してそれを可能にしようとする試みは数多くなされている。 詳しくは、カイザー著『ヒッピーはいかにして物理学を救ったか』をご覧ください。 量子非局所性は、蒸発するブラックホールにおける情報の問題や、最近盛んに議論されている「ファイアウォール」論争においても中心的な役割を担っています。 EPR論文で説明されたもつれた粒子とワームホールの間の数学的接続を含む過激なアイデアさえあります。

Quantum Physics Is (Mostly) Very Small

量子物理学は、その予測が我々の日常経験（少なくとも人間にとっては–私の本のコンセプトは、犬にとってはそれほど奇妙には見えないことです）と劇的に異なるため、奇妙だという評判が立っています。 これは、物体が大きくなるにつれて、関係する効果が小さくなるためです。もし、量子的な振る舞いを明確に見たいのであれば、基本的に粒子が波のように振る舞うのを見たいのであって、運動量が大きくなると波長は短くなります。 部屋の中を歩いている犬のような巨視的な物体の波長は、とんでもなく小さいので、部屋の中の単一の原子が太陽系全体の大きさになるようにすべてを拡大すると、犬の波長はその太陽系内の単一の原子の大きさになります。

つまり、ほとんどの場合、量子現象は、質量と速度が十分に小さく、波長を直接観察できるほど大きくなる原子や基本粒子の規模に限られているのです。 しかし、量子効果を示す系のサイズをもっと大きくしようとする努力は、さまざまな分野で盛んに行われています。 Markus Arndtのグループが行った、より大きな分子で波動的な振る舞いを示す実験については、何度もブログに書きました。また、「キャビティ・オプトメカニクス」では、光を使ってシリコンの塊の動きを遅くし、その動きの離散的量子性を明らかにしようとするグループが多数存在します。 2016>

Quantum Physics Is Not Magic

前のポイントは、ごく自然にこのポイントにつながります：奇妙に見えるかもしれませんが、量子物理学は最も強調すべきは魔法ではないということです。 量子物理学が予測するものは、日常的な物理学の基準からすると奇妙ですが、よく理解された数学的ルールと原理によって厳密に制約されています。

ですから、誰かが「量子」アイデアを持ち出して、フリーエネルギー、神秘的な治癒力、不可能な宇宙ドライブなど、あまりにも良すぎると思った場合、ほぼ確実にそうなのです。 しかし、それらは、熱力学の法則と基本的な常識の範囲内にとどまっています。 おそらくいくつかのことが抜けていたり、万人受けするような正確さに欠ける記述をしてしまったと思いますが、少なくとも今後の議論の出発点として役立つはずです。