非常に非常に小さな世界は、不思議なワンダーランドです。 分子、原子、およびそれらを構成する粒子は、20 世紀初頭に原子の物理学に取り組んでいた科学者に、その秘密をすぐに明かすことはありませんでした。 ドラマ、フラストレーション、怒り、戸惑い、神経衰弱がたくさんあり、XNUMX世紀後の今、何が危機に瀕していたのかを理解することは困難です. 起こったことは、世界観の破壊の継続的なプロセスでした. 何かについて真実だと思っていたことをすべて信じるのをあきらめなければならないかもしれません。 量子物理学のパイオニアの場合、それは、物質がどのように振る舞うかを決定するルールの理解を変えることを意味しました。
弦のエネルギー
1913 年に、ボーアは太陽系のミニチュアのように見える原子のモデルを考案しました。 電子は円軌道で原子核の周りを移動しました。 ボーアは彼のモデルにいくつかのひねりを加えました — ひねりは、それらに一連の奇妙で神秘的な特性を与えました. ねじれは、ボーアのモデルが説明力を持つために、つまり、実験的測定結果を説明できるために必要でした。 たとえば、電子の軌道は、原子核の周りを線路のように固定されていました。 電子は軌道の間にあることはできません。さもなければ、原子核に落ちる可能性があります。 軌道はしごの一番下の段に到達すると、電子はより高い軌道にジャンプしない限りそこにとどまりました。
なぜこれが起こったのかについての明確さは、電子が粒子と波の両方として見ることができるというド・ブロイの考えから始まりました. この光と物質の波動と粒子の二重性は驚くべきものであり、ハイゼンベルグの不確定性原理はそれに正確さを与えました。 粒子の位置を正確に特定すればするほど、粒子の移動速度を正確に知ることはできなくなります。 ハイゼンベルグは、実験の可能な結果を計算するための複雑なデバイスである量子力学の理論を持っていました。 それは美しいが、物事を計算するのは非常に難しい.
少し後の 1926 年、オーストリアの物理学者エルヴィン・シュレディンガーは大きなアイデアを思いつきました。 電子が原子核の周りで何をしているかを表す方程式を書けるとしたら? ド・ブロイは電子が波のように振る舞うと示唆したので、これは波動方程式のようになります。 これは真に革命的なアイデアであり、量子力学に対する私たちの理解を再構築しました。
光を波動する電場と磁場として説明するマクスウェルの電磁気学の精神で、シュレディンガーはド・ブロイの物質波を説明できる波力学を追求した。 ド・ブロイの考えの結果の XNUMX つは、電子が波である場合、特定の軌道しか許されない理由を説明できるということでした。 これが正しい理由を理解するために、Ana と Bob の XNUMX 人が紐を持っていると想像してください。 アナはそれをすばやくジャークし、ボブに向かって波を作ります。 ボブが同じことをすると、波がアナに向かって移動します。 アナとボブが行動を同期させると、定在波が現れます。このパターンは、左右に移動せず、ノードと呼ばれる固定点を示します。 アナとボブが手を速く動かすと、ノードが XNUMX つ、次にノードが XNUMX つという新しい定在波が見つかります。 ノードの数が異なる定在波が見つかるまで、さまざまな強さのギターの弦を弾いて定在波を生成することもできます。 定在波のエネルギーと節の数の間には XNUMX 対 XNUMX の対応があります。
生まれた遺産
ド・ブロイは、電子を原子核の周りの定在波として描写しました。 そのため、特定の振動パターンのみが閉円に収まります。軌道は、それぞれが指定された数のノードによって特徴付けられます。 許可された軌道は、それぞれ固有のエネルギーを持つ電子波のノードの数によって識別されました。 シュレディンガーの波動力学は、ド・ブロイの定在波としての電子の描写が正確であった理由を説明しました。 しかし、この単純化された図を XNUMX つの空間次元に一般化することで、さらに先へ進みました。
一連の XNUMX つの注目すべき論文で、シュレディンガーは新しい力学を定式化し、それらを水素原子にうまく適用し、より複雑な状況に対するおおよその答えを得るためにどのように適用できるかを説明し、彼の力学とハイゼンベルクの力学との互換性を証明しました。
シュレディンガー方程式の解は、波動関数として知られていました。 当初、彼はそれを電子波そのものを説明するものと考えていました。 これは、決定論に従い、波が時間とともにどのように進化するかという古典的な概念と一致していました。 それらの初期位置と速度が与えられると、それらの運動方程式を使用して将来何が起こるかを予測できます。 シュレディンガーは、この事実を特に誇りに思っていました — 彼の方程式が、原子物理学によって引き起こされた概念の混乱に何らかの秩序を回復させたということです。 彼は、電子が離散軌道間を「ジャンプ」するという考えを決して好まなかった。
しかし、ハイゼンベルグの不確定性原理は、この波動関数の決定論的解釈を台無しにしました。 量子の世界では、すべてが曖昧で、粒子であれ波動であれ、電子の時間発展を正確に予測することは不可能でした。 問題は次のようになりました: では、この波動関数は何を意味するのでしょうか?
物理学者は失われた。 物質と光の波動と粒子の二重性とハイゼンベルグの不確定性原理は、シュレーディンガーの美しい (そして連続的な) 波力学とどのように調和させることができるでしょうか? 再び急進的な新しいアイデアが必要になり、また誰かがそれを思いつきました。 今回は、量子力学の主要なアーキテクトの 1970 人であるだけでなく、XNUMX 年代のロック スター、オリビア ニュートン ジョンの祖父でもあったマックス ボーンの番でした。
ボルンは、シュレディンガーの波動力学は電子波の進化を記述したのではなく、空間内のこの位置またはその位置で電子を見つける確率を記述したと正しく提案しました。 シュレディンガーの方程式を解くことで、物理学者はこの確率が時間とともにどのように変化するかを計算します。 電子がここにあるのかあちらにあるのか、確実に予測することはできません。 測定が行われると、それがあちこちで見つかる確率を示すことしかできません。 量子力学では、確率は波動方程式に従って決定論的に発展しますが、電子自体はそうではありません。 同じ実験を同じ条件下で何度も繰り返すと、異なる結果が得られることがあります。
量子重ね合わせ
これはかなり奇妙です。 物理学には初めて、物体に属する物理的なものの挙動 (球体や惑星の位置、運動量、エネルギーなど) を記述しない方程式が存在します。 波動関数は実在するものではありません。 (少なくとも、この物理学者にはそうではありません。この厄介な問題については、すぐに説明します。) 平方であり、複素数であるため、その絶対値は、空間のある点で粒子を XNUMX 回見つける確率を与えます。測定が行われます。 しかし、測定の前に何が起こりますか? わかりません。 私たちが言っているのは、波動関数は電子の多くの可能な状態の重ね合わせであるということです. 各状態は、測定が行われるとすぐに電子が見つかる可能性のある位置を表します。
おそらく有用なイメージ (それらはすべて曖昧です) は、暗い部屋で、多くの写真がぶら下がっている壁に向かって歩いている自分を想像することです。 絵画の前の壁の特定の場所に到達すると、ライトが点灯します。 もちろん、あなたは自分が一枚の絵に向かって歩いている一人の人間であることを知っています。 しかし、もしあなたが電子や光子のような素粒子であれば、壁に向かって同時に歩いているあなたのコピーがたくさんあるでしょう. あなたは多くのあなたの重ね合わせになり、XNUMXつのコピーだけが壁に届き、ライトが点灯します. あなたのコピーごとに、壁に到達する確率が異なります。 実験を何度も繰り返すと、これらの異なる確率が明らかになります。
暗い部屋で動いているコピーはすべて本物ですか、それとも壁にぶつかってライトをオンにするコピーだけですか? あれだけが本物なら、どうして他の人も壁にぶち当たったのだろう？ 量子重ね合わせとして知られるこの効果は、おそらくそれらすべての中で最も奇妙なものです。 とても奇妙で魅力的なので、記事全体に値します。
