量子力学入門

量子力学は、原子および素粒子のスケールで物質および物質とエネルギーの相互作用を研究する学問です。対照的に、古典物理学は、月などの天体の挙動を含め、人間の経験に馴染みのあるスケールでのみ物質とエネルギーを説明します。古典物理学は、現代の科学技術の多くで今でも使用されています。しかし、19世紀末にかけて、科学者は古典物理学では説明できない大きな世界 (マクロ) と小さな世界 (ミクロ) の両方の現象を発見しました。 [ 1 ]観測された現象と古典理論との矛盾を解決したいという願望が物理学に革命をもたらし、元の科学的パラダイムの転換をもたらしました。[ 2 ]これが量子力学の発展です。

量子力学の多くの側面は、予想外の結果をもたらし、予想を覆し、直感に反すると見なされる。[ 3 ]これらの側面は、より大きなスケールで見られるものとは全く異なる振る舞いを描写するため、逆説的に見えることがある。量子物理学者リチャード・ファインマンの言葉を借りれば、量子力学は「あるがままの自然、つまり不条理な自然」を扱う。[ 4 ]量子力学の特徴は、しばしば日常言語では簡単に説明できない。その一例が不確定性原理である。位置の正確な測定は速度の正確な測定と組み合わせることはできない。別の例としてはエンタングルメントがある。ある粒子（例えば、スピンが「上向き」と測定された電子）の測定は、2つの粒子が共通の履歴を持つ場合、別の粒子（電子が「下向き」と測定される）の測定と相関する。これは、最初の測定結果が2番目の測定が行われる前に2番目の粒子に伝達されることが不可能であっても当てはまる。

量子力学は、原子がどのように相互作用し分子を形成するかを説明するため、化学を理解するのに役立ちます。超流動性など、多くの注目すべき現象は量子力学を用いて説明できます。例えば、絶対零度近くまで冷却された液体ヘリウムを容器に入れると、ヘリウムは自発的に容器の縁を越えて上昇します。これは古典物理学では説明できない現象です。

歴史

19世紀後半、ジェームズ・C・マクスウェルは電気、磁気、光を支配する方程式を統一し、光と物質の相互作用に関する実験を行いました。これらの実験の中には、20世紀初頭に量子力学が登場するまで説明できなかった側面を持つものもありました。[ 5 ]

光電効果による量子の証拠

量子革命の萌芽は、1897年にJJトムソンが陰極線が連続体ではなく「粒子」（電子）であることを発見したことに現れた。電子は、そのわずか6年前に、当時出現しつつあった原子論の一部として命名されたばかりだった。1900年、原子論に納得できなかったマックス・プランクは、黒体放射を説明するには原子や電子のような離散的な実体が必要であることを発見した。[ 6 ]

黒体放射の強度と色および温度の関係。虹色のバーは可視光を表し、5000Kの物体は異なる色の可視光が混ざり合って「白熱」している。その右側は目に見えない赤外線である。古典理論（5000Kの黒い曲線）では色は予測できないが、その他の曲線は量子理論によって正しく予測されている。

非常に熱い物体（赤熱物体や白熱物体）は、同じ温度に加熱されると似たような外観になります。これは、異なる周波数（色）における光の強度が共通の曲線を描くことに起因しており、これを黒体放射と呼びます。白熱物体は、可視光線域の多くの色にわたって強度を持ちます。可視光線よりも低い周波数は赤外線であり、これも熱を放出します。光と物質の連続波理論では、黒体放射曲線を説明できません。プランクモデルは、熱エネルギーを、定義されていない特性を持ちながらも離散的なエネルギー容量を持つ個々の「振動子」に分散させました。このモデルは黒体放射を説明しました。

当時、電子、原子、離散振動子といった概念は、いずれも異質な現象を説明する奇抜なアイデアでした。しかし1905年、アルバート・アインシュタインは光も粒子状であり、「エネルギー量子」から成ると提唱しました。これは、トーマス・ヤングの回折に関する研究に遡る100年前の光の連続波という確立された科学とは矛盾するものでした。

アインシュタインの革新的な提案は、プランクの黒体理論を再解析することから始まり、新たな「エネルギー量子」を用いて同じ結論に達しました。そしてアインシュタインは、エネルギー量子がトムソンの電子とどのように関連しているかを示しました。1902年、フィリップ・レーナードは、真空ガラス管に入れられた清潔な金属板にアークランプからの光を当てました。彼は、光の強度を強弱で変化させ、また様々な金属に対して、金属板から流れる電流を測定しました。レーナードは、電流量（電子数）は光の強度に依存するものの、これらの電子の速度は強度に依存しないことを示しました。これが光電効果です。当時の連続波理論では、この実験とは逆に、光強度が高ければ同じ量の電流でも速度が上昇すると予測されていました。アインシュタインのエネルギー量子は体積増加を説明づけました。量子1つにつき電子が1つ放出されるため、量子の数が増えれば電子の数も増えるのです。[ 6 ] : 23

アインシュタインは、金属の種類によって決まる一定値を超えると、電子の速度は光周波数に正比例して増加すると予測しました。ここでの考え方は、エネルギー量子に含まれるエネルギーは光周波数に依存し、電子に伝達されるエネルギーは光周波数に比例するというものです。金属の種類によって障壁（一定値）が決まり、電子は原子から出て金属表面から放出され、測定されるために、この障壁を乗り越えなければなりません。

ミリカンの決定的な実験[ 7 ]によってアインシュタインの予言が検証されるまでに10年かかりました。その間、多くの科学者が量子という革命的な概念を否定しました[ 8 ] 。しかし、プランクとアインシュタインの概念は広く受け入れられ、すぐに他の物理学や量子理論に影響を与え始めました。

原子内の束縛電子の量子化

1800年代後半、光と物質の実験により、再現性はあるものの不可解な規則性が明らかになりました。精製されたガスに光を当てると、特定の周波数（色）の吸収線が透過しませんでした。これらの暗吸収線は、線間の間隔が着実に減少するという特徴的なパターンを示しました。1889年までに、リュードベリの式は、定数と線をインデックスする整数のみを用いて、水素ガスの吸収線を予測しました。[ 5 ] : v1:376 この規則性の起源は不明でした。この謎を解くことが、最終的に量子力学への最初の大きな一歩となりました。

19世紀を通じて、物質の原子的性質を示す証拠は蓄積されていった。1897年にトムソンが電子を発見したことで、科学者たちは原子内部のモデルの探求を始めた。トムソンは、負の電子が正電荷のプールの中を泳いでいるという説を提唱した。1908年から1911年にかけて、ラザフォードは正電荷の部分が原子の直径のわずか3000分の1しかないことを示しました。[ 6 ] : 26

核の「太陽」を周回する「惑星」電子のモデルが提案されたが、電子が単純に正電荷に落ち込まない理由を説明できなかった。1913年、ニールス・ボーアとアーネスト・ラザフォードは、この新しい原子モデルをリュードベリの公式の謎と結びつけた。電子の軌道半径は制約されており、その結果生じるエネルギー差は吸収線のエネルギー差と一致する。これは、原子からの光の吸収と放出がエネルギー量子化されていることを意味し、軌道エネルギー差に一致する特定のエネルギーのみが放出または吸収される。[ 6 ] : 31

リュードベリの式の規則的なパターンという一つの謎を、電子軌道の制約という別の謎に置き換えることは、大きな進歩のようには思えないかもしれない。しかし、この新しい原子モデルは、他の多くの実験結果を要約するものである。光電効果の量子化、そして今や電子軌道の量子化は、最終的な革命への舞台を整えたのだ。

量子力学の初期から現代に至るまで、古典力学は巨視的に制約された量子モデルに必ず妥当するという概念が、存在し得る量子モデルを規定してきた。この概念は1923年にボーアによって対応原理として定式化された。対応原理は、量子論が古典的極限に収束することを要求する。[ 9 ] : 29 関連する概念としてエーレンフェストの定理があり、これは量子力学から得られる平均値（例えば位置や運動量）が古典法則に従うことを示す。[ 10 ]

スピンの量子化

シュテルン・ゲルラッハ実験：不均一磁場中を移動する銀原子は、スピンに応じて上下に偏向する。（1）炉、（2）銀原子のビーム、（3）不均一磁場、（4）古典的に予想される結果、（5）観測結果

1922年、オットー・シュテルンとヴァルター・ゲルラッハは 、銀原子の磁性が古典的な説明に反することを実証し、この研究はシュテルンの1943年のノーベル物理学賞に貢献しました。彼らは磁場を通して銀原子のビームを発射しました。古典物理学によれば、原子は連続した方向を持つスプレーとして出現するはずです。しかし実際には、ビームは2つの、そして2つだけの分岐する原子の流れに分かれました。[ 11 ]当時知られていた他の量子効果とは異なり、この驚くべき結果は単一の原子の状態に関連していました。[ 5 ]：v2：130 1927年、トーマス・アーウィン・フィップスとジョン・ベラミー・テイラーは基底状態の水素原子を使用して同様の、しかしそれほど顕著ではない効果を得て、銀原子の使用によって生じた可能性のある疑問を払拭しました。[ 12 ]

1924年、ヴォルフガング・パウリはこれを「古典的には記述できない二価性」と呼び、最外殻電子と関連付けました。[ 13 ]この実験の結果、1925年にサミュエル・グッドミットとジョージ・ウーレンベックは、パウル・エーレンフェストの助言のもと、電子のスピンから生じると理論を策定しました。[ 14 ]

物質の量子化

1924年、ルイ・ド・ブロイは原子内の電子は「軌道」ではなく定在波として束縛されていると提唱した[ 15 ] 。彼の解決策は詳細にはうまくいかなかったが、電子「粒子」が原子内を波として運動するという彼の仮説は、エルヴィン・シュレーディンガーに電子の波動方程式を導き出すきっかけを与えた。この方程式を水素に適用したところ、リュードベリの公式は正確に再現された[ 6 ]。

1925年から1927年にかけて記録された、GPトムソンの研究室で撮影されたオリジナルの電子回折写真の例

マックス・ボルンの1924年の論文「量子力学について」は、「量子力学」という言葉が初めて印刷物で使用された論文である。[ 16 ] [ 17 ]彼のその後の研究には量子衝突モデルの開発が含まれており、1926年の論文の脚注で彼は理論モデルと実験を結びつけるボルンの規則を提案した。[ 18 ]

1927年、ベル研究所でクリントン・デイヴィソンとレスター・ガーマーは、ニッケル結晶ターゲットに低速電子を照射しました。すると、電子の波動性を示す回折パターンが現れました。[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]この電子の波動性は、ハンス・ベーテによって完全に説明されました。[ 23 ]ジョージ・パジェット・トムソンとアレクサンダー・リードによる同様の実験では、薄いセルロイド箔、後に金属フィルムに電子を照射してリングを観察し、独立して電子の波動性を発見しました。[ 24 ]

さらなる展開

1928年にポール・ディラックは相対論的波動方程式を発表し、同時に相対性理論を組み込み、反物質を予測し、シュテルン・ゲルラッハの結果の完全な理論を提供した。[ 6 ]：131 これらの成功は、小規模の世界についての新しい基本的な理解、すなわち量子力学の始まりとなった。

プランクとアインシュタインは、物質と光の連続モデルを崩壊させる量子論によって革命を起こしました。20年後、電子のような「粒子」は連続波としてモデル化されました。この結果は粒子と波動の二重性と呼ばれるようになり、不確定性原理とともに量子力学を従来の物理学モデルから区別する象徴的な概念の一つとなりました。

量子放射、量子場

1923年、コンプトンは光から得られるプランク＝アインシュタインのエネルギー量子にも運動量があることを実証しました。3年後、「エネルギー量子」は「光子」という新しい名前を得ました。[ 25 ]量子革命のほぼすべての段階で役割を果たしたにもかかわらず、光量子の明確なモデルは、1927年にポール・ディラックが量子電磁力学となる放射の量子理論[ 26 ]の研究を始めるまで存在していませんでした。その後数十年にわたり、この研究は現代の量子光学と素粒子物理学の基礎となる場の量子理論へと発展しました。

波動粒子二重性

波動粒子二重性の概念は、「粒子」という古典的な概念も「波動」という概念も、光子や物質といった量子スケールの物体の挙動を完全に記述することはできないというものです。波動粒子二重性は、量子物理学における相補性原理の一例です。[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]波動粒子二重性の優れた例として、二重スリット実験が挙げられます。

光が1つのスリットを通過したときに生じる回折パターン（上）と、2つのスリットを通過したときに生じる干渉パターン（下）。どちらのパターンも光の波動性による振動を示しています。二重スリットパターンの方がよりドラマチックです。
波動粒子二重性を証明する古典粒子、波動、量子粒子の二重スリット実験

1803年にトーマス・ヤング[ 32 ]、そして10年後にオーギュスタン・フレネル[ 32 ]によって最初に行われた二重スリット実験では、光線が2つの狭く近接したスリットを通過することで、スクリーン上に明暗の干渉縞が現れる。同じ現象は水の波でも見られ、二重スリット実験は光の波動性を示すものと考えられていた。

二重スリット実験のバリエーションは、電子、原子、さらには巨大分子を用いて行われており[ 33 ] [ 34 ] 、同様の干渉縞が観察されています。このように、すべての物質は波動性を持つ ことが実証されています。

光源の強度を弱めると、同じ干渉パターンがゆっくりと、1つの「カウント」または粒子（例えば光子や電子）ずつ蓄積されていきます。量子系は、二重スリットを通過する際には波として振る舞いますが、検出される際には粒子として振る舞います。これは量子相補性の典型的な特徴です。量子系は、波のような性質を測定する実験では波として振る舞い、粒子のような性質を測定する実験では粒子として振る舞います。検出器スクリーン上で個々の粒子が現れる点は、ランダムなプロセスの結果です。しかし、多数の個々の粒子の分布パターンは、波によって生成される回折パターンを模倣します。

不確定性原理

ヴェルナー・ハイゼンベルク、 26歳。ハイゼンベルクは1920年代後半の研究により、1932年にノーベル物理学賞を受賞した。 [ 35 ]

ある物体、例えばレーダー速度取締りを通過する車の位置と速度を測定したいとします。特定の瞬間において、車の位置と速度は一定であると仮定できます。これらの値をどれだけ正確に測定できるかは、測定機器の品質に依存します。測定機器の精度が向上しれば、より真値に近い結果が得られます。車の速度と位置は、操作上定義され、同時に、要求される限り正確に測定できると考えられます。

1927年、ハイゼンベルクはこの最後の仮定が正しくないことを証明した。[ 36 ]量子力学によれば、位置と速度など、特定の物理的特性のペアは、同時に任意の精度で測定することも、操作的に定義することもできない。つまり、一方の特性をより正確に測定したり、操作的に定義したりすると、もう一方はそのように扱うことができる精度が低くなる。この主張は不確定性原理として知られている。不確定性原理は、測定機器の精度に関する主張であるだけでなく、より深くは、測定される量の概念的性質に関する主張でもある。つまり、自動車が位置と速度を同時に定義していたという仮定は、量子力学では成り立たない。自動車や人間のスケールでは、これらの不確定性は無視できるほど小さいが、原子や電子を扱う場合には重大となる。[ 37 ]

ハイゼンベルクは、光子を用いた電子の位置と運動量の測定を例に挙げた。電子の位置を測定する際、光子の周波数が高いほど、光子と電子の衝突位置の測定精度は高くなるが、電子の擾乱は大きくなる。これは、光子との衝突により電子がランダムな量のエネルギーを吸収し、運動量の測定精度がますます不確実になるためである。なぜなら、測定対象となるのは衝突生成物から生じた衝突後の擾乱された運動量であり、本来の運動量（位置と同時に測定されるべき運動量）ではないからである。光子の周波数が低いほど、運動量の擾乱（ひいては不確実性）は小さくなるが、衝突位置の測定精度も低くなる。[ 38 ]

不確定性原理の核心は、位置領域と速度領域におけるあらゆる数学的解析において、位置領域でより鋭い（より正確な）曲線を実現するためには、速度領域でより緩やかな（より精度の低い）曲線を犠牲にしなければならないという事実であり、その逆もまた同様である。位置領域でより鋭い曲線を実現するためには、より狭い曲線を作成するために速度領域でより多くの周波数の寄与が必要であり、その逆もまた同様である。これは、このような関連または補完的な測定に内在する根本的なトレードオフであるが、実際には、素粒子のサイズに近い最小スケール（プランクスケール）でのみ顕著となる。

不確定性原理は、粒子の位置と運動量（運動量は速度と質量の積）の不確定性の積が特定の値より小さくなることはなく、この値がプランク定数と関連していることを数学的に示しています。

波動関数の崩壊

波動関数の崩壊とは、測定によって量子状態（確率的またはポテンシャル的）が明確な測定値に強制または変換されることを意味します。この現象は古典力学ではなく量子力学でのみ見られます。

例えば、光子が検出スクリーン上に実際に「現れる」までは、それがどこに現れるかという確率の集合によってのみ記述できます。光子が実際に現れる場合、例えば電子カメラのCCDに現れる場合、光子がデバイスと相互作用した時間と空間は、非常に厳密な範囲内で既知です。しかし、光子は捕捉（測定）される過程で消失し、その量子波動関数もそれと共に消失しています。その代わりに、検出スクリーン上に何らかのマクロな物理的変化、例えば写真フィルムの露光点やCCDのセルにおける電位変化などが現れるのです。

固有状態と固有値

不確定性原理のため、粒子の位置と運動量に関する記述は、位置または運動量が何らかの数値を持つ確率のみを割り当てることができます。したがって、確率雲内の電子のような不確定な状態と、確定した値を持つ状態の違いを明確に定式化する必要があります。ある物体が何らかの点で明確に「特定」できる場合、その物体は固有状態を持つと言われます。

上述のシュテルン＝ゲルラッハの実験において、量子モデルは磁気軸に対する原子のスピンの2つの可能な値を予測します。これらの2つの固有状態は、それぞれ「上向き」と「下向き」と任意に名付けられます。量子モデルは、これらの状態が等確率で測定されるが、中間の値は観測されないと予測します。これがシュテルン＝ゲルラッハの実験で示されていることです。

垂直軸周りのスピンの固有状態は、同時に水平軸周りのスピンの固有状態とはならないため、この原子は水平軸周りのスピンがどちらの値になるかは等確率です。上記のセクションで説明したように、水平軸周りのスピンを測定することで、スピンアップした原子がスピンダウンする可能性があります。水平軸周りのスピンを測定すると、その波動関数は測定された固有状態の1つに収束します。つまり、もはや垂直軸周りのスピンの固有状態ではなくなり、どちらの値も取ることができるということです。

パウリの排他原理

ヴォルフガング・パウリ

1924年、ヴォルフガング・パウリは、観測された分子スペクトルと量子力学の予測との間の矛盾を解決するため、2つの値を取り得る新たな量子自由度（量子数）を提唱した。特に、水素原子のスペクトルには、本来1本の線しか期待されないところに、わずかに異なる2本の線が二重線として現れた。パウリは排他原理を定式化し、「原子内の2つの電子が同じ量子数を持つような量子状態にある原子は存在し得ない」と述べた[ 39 ] 。

1 年後、ウーレンベックとグードシュミットは、パウリの新しい自由度を、シュテルン・ゲルラッハの実験で効果が観測されたスピンと呼ばれる特性と特定しました。

ディラック波動方程式

ポール・ディラック（1902–1984）

1928 年、ポール ディラックは回転する電子を記述したパウリの方程式を拡張し、特殊相対性理論を説明しました。その結果、光速のかなりの部分で発生する原子核の周りを電子が回る速度などの事象を適切に処理する理論が生まれました。最も単純な電磁相互作用を使用して、ディラックは電子のスピンに関連する磁気モーメントの値を予測し、実験的に観測された値を見つけましたが、その値は古典物理学によって支配される回転する荷電球の値としては大きすぎました。彼は水素原子のスペクトル線を解き、物理の第一原理から水素スペクトルの 微細構造に対するゾンマーフェルトの成功した公式を再現することができました。

ディラック方程式はエネルギーが負の値になることがあり、彼はこれに対し斬新な解決策を提案した。反電子と動的真空の存在を仮定したのだ。これが多粒子量子場理論につながった。

量子もつれ

量子物理学では、粒子群が相互作用したり、あるいは共存したりすることで、粒子群の各粒子の量子状態は、粒子群間の距離が非常に離れている場合であっても、他の粒子の状態とは独立して記述できない状態が生じることがあります。これは量子もつれとして知られています。

エンタングルメント研究の初期の画期的な成果は、アインシュタイン・ポドルスキー・ローゼン（EPR）パラドックスである。これは、アルバート・アインシュタイン、ボリス・ポドルスキー、ネイサン・ローゼンによって提唱された思考実験であり、量子力学による物理的現実の記述は不完全であると主張する。[ 40 ] 1935年の論文「物理的現実の量子力学的記述は完全とみなせるか？」で、彼らは量子論には含まれない「現実の要素」の存在を主張し、これらの隠れた変数を含む理論を構築できるはずだと推測した。

この思考実験では、後に量子もつれ状態として知られるようになる2つの粒子が用いられました。アインシュタイン、ポドルスキー、ローゼンは、この状態において、最初の粒子の位置を測定すれば、2番目の粒子の位置測定結果を予測できると指摘しました。また、最初の粒子の運動量を測定すれば、2番目の粒子の運動量測定結果を予測できると指摘しました。彼らは、最初の粒子に対して行われたいかなる作用も、他の粒子に瞬時に影響を及ぼすことはできないと主張しました。なぜなら、それは光速を超える情報の伝達を伴うことになり、相対性理論では禁じられているからです。彼らは後に「EPR現実基準」として知られる原理を援用し、「もし系をいかなる形でも乱すことなく、ある物理量の値を確実性をもって（すなわち、 1に等しい確率で）予測できるならば、その量に対応する現実の要素が存在する」と仮定しました。このことから、彼らは、2番目の粒子は、どちらかの量が測定される前に、位置と運動量の両方の明確な値を持っているはずだと推論しました。しかし、量子力学ではこれら二つの観測量は両立しないものとみなし、したがって、いかなる系においても両方の同時値を関連付けることはできない。したがって、アインシュタイン、ポドルスキー、ローゼンは、量子論は現実を完全に記述するものではないと結論付けた。[ 41 ]同年、エルヴィン・シュレーディンガーは「エンタングルメント」という言葉を用い、「私はそれを量子力学の特質と呼ぶのではなく、むしろ量子力学の特徴と呼ぶ」と宣言した。[ 42 ]

アイルランドの物理学者ジョン・スチュワート・ベルは、量子もつれの解析をさらに推し進めました。彼は、もつれ合った2つの粒子それぞれに対して独立に測定を行った場合、測定結果がそれぞれの粒子に隠れた変数に依存するという仮定は、2つの測定結果がどのように相関するかについて数学的な制約を示唆すると推論しました。この制約は後にベル不等式と名付けられました。ベルは、量子物理学がこの不等式に反する相関を予測することを示しました。したがって、隠れた変数が量子物理学の予測を説明できる唯一の方法は、それらが「非局所的」である場合、つまり、2つの粒子がどれだけ離れていても、何らかの形で瞬時に相互作用できる場合です。[ 43 ] [ 44 ]ベルが示唆したような実験を行うことで、物理学者たちは自然界が量子力学に従い、ベル不等式に反することを発見しました。言い換えれば、これらの実験結果は、いかなる局所的な隠れた変数理論とも矛盾しないということです。[ 45 ] [ 46 ]

量子場理論

量子場理論のアイデアは、1920年代後半にイギリスの物理学者ポール・ディラックが電磁場のエネルギーを量子化しようと試みたことに始まります。量子力学において水素原子中の電子のエネルギーが量子化されたのと同様です。量子化とは、古典理論から出発して量子理論を構築する手順です。

メリアム・ウェブスターは物理学において、場を「ある効果（例えば磁気など）が存在する領域または空間」と定義しています。 [ 47 ]場として現れる他の効果としては、重力や静電気などがあります。 [ 48 ] 2008年、物理学者リチャード・ハモンドは次のように書いています。

量子力学（QM）と量子場理論（QFT）は区別されることがあります。QMは、粒子の数が固定され、場（例えば電気機械場）が連続した古典的実体であるシステムを指します。QFTはさらに一歩進んで、粒子の生成と消滅を許容します。

しかし彼は、量子力学は「量子観点の概念全体」を指すためによく使われるとも付け加えた。[ 49 ] : 108

1931年、ディラックは後に反物質として知られる粒子の存在を提唱した。[ 50 ]ディラックは1933年のノーベル物理学賞をシュレーディンガーと共に「原子論の新しい生産的形態の発見」により受賞した。[ 51 ]

量子電気力学

量子電気力学（QED）は、電磁力の量子理論の名称です。QEDを理解するには、まず電磁気学を理解する必要があります。電磁気学は、電気力と磁気力の動的な相互作用であるため、「電気力学」と呼ばれることがあります。電磁気学は電荷から始まります。

電荷は電場の源であり、また電場を作り出すものです。電場とは、空間のあらゆる点において電荷を帯びたあらゆる粒子に力を及ぼす場です。これには電子、陽子、さらにはクォークなども含まれます。力が及ぼされると、電荷が移動し、電流が流れ、磁場が生成されます。変化する磁場は、今度は電流（多くの場合、電子の移動）を引き起こします。相互作用する荷電粒子、電流、電場、磁場 の物理的記述は電磁気学と呼ばれます。

1928年、ポール・ディラックは相対論的量子電磁力学を提唱した。これは現代量子電磁力学の元祖であり、現代理論の重要な要素を備えている。しかし、この相対論的量子理論では、解けない無限大の問題が生じた。数年後、この問題は繰り込みによってほぼ解決された。当初は一部の提唱者によって暫定的で疑わしい手法とみなされていた繰り込みは、最終的にQEDやその他の物理学の分野において重要かつ自己矛盾のないツールとして受け入れられた。また、1940年代後半には、ファインマン図によって、相互作用が起こり得るそれぞれの可能性について確率振幅を求めることで、QEDによる予測を行う方法が提供された。この図は特に、電磁力が相互作用する粒子間の光子交換であることを示した。[ 52 ]

ラムシフトは、実験的に検証された量子電気力学の予測の一例です。これは、電磁場の量子的な性質により、原子またはイオンのエネルギー準位が本来の状態からわずかにずれる現象です。その結果、スペクトル線がシフトしたり分裂したりすることがあります。

同様に、自由伝播する電磁波内部では、電流は電荷キャリアを伴わず、単なる抽象的な変位電流となることもあります。QEDでは、その完全な記述において、短寿命の仮想粒子が不可欠に用いられます。QEDはここで、以前の、やや謎めいた概念を再び検証します。

標準モデル

素粒子物理学の標準モデルは、宇宙で知られている4つの基本的な力（電磁力、弱い相互作用、強い相互作用 – 重力は除く）のうち3つを記述し、既知のすべての素粒子を分類する量子場の理論です。これは、世界中の多くの科学者の研究を通じて20世紀後半を通して段階的に開発され、1970年代半ばにクォークの存在が実験的に確認され、現在の定式化が完成しました。それ以来、トップクォーク（1995年）、タウニュートリノ（2000年）、ヒッグス粒子（2012年）の証明により、標準モデルの信頼性はさらに高まりました。さらに、標準モデルは、弱い中性カレントやWボソン、Zボソンのさまざまな特性を非常に正確に 予測しています。

標準モデルは理論的に自己矛盾がないと考えられており、実験予測を提供することに成功していることが実証されているが、いくつかの物理現象が説明できず、基礎的相互作用の完全な理論とは言えない。例えば、重粒子の非対称性を完全には説明しておらず、一般相対性理論によって説明される完全な重力理論を組み込んでおらず、暗黒エネルギーによって説明される可能性のある宇宙の加速膨張を説明していない。このモデルには、観測宇宙論から推定される必要な特性のすべてを備えた実行可能な暗黒物質粒子は含まれていない。また、ニュートリノ振動とそのゼロでない質量も組み込まれていない。したがって、標準モデルとは矛盾する実験結果（暗黒物質やニュートリノ振動の存在など）を説明するために、仮想粒子、余剰次元、精巧な対称性（超対称性など）を組み込んだよりエキゾチックなモデルを構築するための基礎として使用されている。

解釈

量子力学に関連する物理的な測定、方程式、そして予測はすべて一貫しており、非常に高い確証を得ています。しかしながら、これらの抽象モデルが現実世界の根底にある性質について何を語っているのかという問いに対しては、相反する答えが提示されてきました。これらの解釈は大きく異なり、時には幾分抽象的です。例えば、コペンハーゲン解釈は、測定が行われるまでは粒子の性質に関する記述は全く意味をなさないと述べており、一方、多世界解釈は、あらゆる可能性のある宇宙からなる多元宇宙の存在を説明しています。[ 53 ]

光は、ある面では粒子のように、またある面では波のように振る舞います。物質、つまり電子や原子などの粒子からなる宇宙の「物質」もまた、波のような振る舞いを示します。ネオンライトなどの光源は、特定の周波数の光、つまりネオンの原子構造によって決まる少数の明確な純色のみを発します。量子力学は、光が他のすべての形態の電磁放射と同様に、光子と呼ばれる離散的な単位で存在し、そのスペクトルエネルギー（純色に対応）と光線の強度を予測することを示しました。単一の光子は、電磁場の量子、つまり観測可能な最小の粒子です。部分的な光子は実験的に観測されることはありません。より広く言えば、量子力学は、位置、速度、角運動量など、古典力学の縮小された視点では連続的に見えた物体の多くの特性が、（量子力学の非常に小さな、拡大されたスケールでは）量子化されていることを示しています。素粒子のこの​​ような特性は、一連の小さな離散的な許容値のいずれかを取る必要があり、これらの値間のギャップも小さいため、不連続性は非常に小さな（原子）スケールでのみ明らかになります。

アプリケーション

日常的なアプリケーション

電磁放射の周波数と各光子のエネルギーの関係こそが、紫外線が日焼けを引き起こすのに対し、可視光や赤外線が引き起こさない理由です。紫外線の光子は、日焼けのような細胞損傷に寄与するのに十分なほどの高エネルギーを放出します。赤外線の光子は、皮膚を温める程度のエネルギーしか放出しません。したがって、赤外線ランプは広い表面を温めることができ、おそらく寒い部屋で人々を快適に過ごせるほどの広さですが、日焼けを引き起こすことはありません。[ 54 ]

技術的応用

量子力学の応用としては、レーザー、トランジスタ、電子顕微鏡、磁気共鳴画像法などが挙げられます。量子力学の応用の中でも特に特殊な分野は、超流動ヘリウムや超伝導体といった巨視的な量子現象に関連しています。半導体の研究は、現代のエレクトロニクスに不可欠なダイオードとトランジスタの発明につながりました。

単純な光スイッチでさえ、量子トンネル効果は極めて重要です。そうでなければ、電流中の電子は酸化物層でできた電位障壁を突破することができないからです。USBドライブに搭載されているフラッシュメモリチップも、メモリセルを消去するために量子トンネル効果を利用しています。[ 55 ]

参照

参考文献

  1. ^ 「量子力学」ナショナル・パブリック・ラジオ。2016年6月22日閲覧。
  2. ^クーン、トーマス・S.『科学革命の構造』第4版。シカゴ、ロンドン：シカゴ大学出版局、2012年。印刷。
  3. ^ 「量子力学入門」。Socratease 。 2017年9月15日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  4. ^ファインマン, リチャード・P. (1988). QED: 光と物質の奇妙な理論(プリンストン大学出版局刊行第1巻、訂正を含む第7刷). プリンストン, ニュージャージー州: プリンストン大学出版局. pp  . 10. ISBN 978-0691024172。
  5. ^ a b cウィテカー、エドマンド・T. (1989). 『エーテルと電気の理論史 2: 現代理論、1900-1926』（復刻版）. ニューヨーク: ドーバー出版. ISBN 978-0-486-26126-3。
  6. ^ a b c d e f Baggott, JE (2013). 『量子物語：40の瞬間で見る歴史』（第3版）オックスフォード：オックスフォード大学出版局. ISBN 978-0-19-965597-7。
  7. ^ミリカン, RA (1916年3月1日). 「プランクの「h」の光電直接測定」" .フィジカルレビュー. 7 (3): 355– 388.書誌コード: 1916PhRv....7..355M . doi : 10.1103/PhysRev.7.355 . ISSN  0031-899X .
  8. ^ Pais, A. (1979年10月1日). 「アインシュタインと量子論」 . Reviews of Modern Physics . 51 (4): 863– 914. Bibcode : 1979RvMP...51..863P . doi : 10.1103/RevModPhys.51.863 . ISSN 0034-6861 . 
  9. ^メサイア、アルバート（1966年）『量子力学』ノースホランド、ジョン・ワイリー・アンド・サンズ、ISBN 0486409244。
  10. ^ 「エーレンフェストの定理の現状といくつかの影響に関するコメント」(PDF)。2021年7月10日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) 。 2022年8月5日閲覧。
  11. ^フリードリヒ, ブレティスラフ; ヘルシュバッハ, ダドリー (2003年12月). 「シュテルンとゲルラッハ：悪い葉巻が原子物理学の方向転換をいかに助けたか」 . Physics Today . 56 (12): 53– 59. Bibcode : 2003PhT....56l..53F . doi : 10.1063/1.1650229 . ISSN 0031-9228 . 
  12. ^ Phipps, TE; Taylor, JB (1927). 「水素原子の磁気モーメント」. Physical Review . 29 (2): 309– 320. Bibcode : 1927PhRv...29..309P . doi : 10.1103/PhysRev.29.309 .
  13. ^ヴォルフガング・パウリ（1946年12月13日）「排他原理と量子力学」ノーベル賞受賞記念講演。
  14. ^エーレンフェスト、P. (1925 年 11 月)。 「Ersetzung der Hypothese vom unmechanischen Zwang durch eine Forderung bezüglich des inneren Verhaltens jedes einzelnen Elektrons」。Die Naturwissenschaften (ドイツ語)。13 (47): 953–954 .土井: 10.1007/bf01558878。ISSN 0028-1042。S2CID 32211960。  
  15. ^ de Broglie, Louis Victor. 「量子論について」(PDF) .ルイ・ド・ブロイの基礎(AF Kracklauer による英訳、2004年) . 2023年2月25日閲覧。
  16. ^マックス・ボルン『私の人生：ノーベル賞受賞者の回想』テイラー＆フランシス、ロンドン、1978年。（「私たちは物理学の基礎を根本的に変える必要がある、つまり量子力学という用語を用いた新しい種類の力学が必要だとますます確信するようになった。この言葉は私の論文で物理学の文献に初めて登場した…」）
  17. ^ Fedak, William A.; Prentis, Jeffrey J. (2009年2月1日). 「1925年のBornとJordanの論文『量子力学について』」（PDF） . American Journal of Physics . 77 (2): 128– 139. Bibcode : 2009AmJPh..77..128F . doi : 10.1119/1.3009634 . ISSN  0002-9505 .
  18. ^マックス生まれ（1926年）。 「Zur Quantenmechanik der Stoßvorgänge」[衝突の量子力学について]。物理学の時代。37 (12): 863–867。Bibcode : 1926ZPhy...37..863B。土井: 10.1007/BF01397477。Born, Max (1983).「衝突の量子力学について」 として再録。Wheeler , JA ; Zurek, WH (編). Quantum Theory and Measurement . Princeton University Press. pp.  52– 55. ISBN 978-0-691-08316-2。
  19. ^ Davisson, C.; Germer, LH (1927). 「ニッケル結晶による電子の回折」 . Physical Review . 30 (6): 705– 740. Bibcode : 1927PhRv...30..705D . doi : 10.1103/physrev.30.705 . ISSN 0031-899X . 
  20. ^ Davisson, CJ; Germer, LH (1928). 「ニッケル結晶による電子の反射」 . Proceedings of the National Academy of Sciences . 14 (4): 317– 322. Bibcode : 1928PNAS...14..317D . doi : 10.1073 /pnas.14.4.317 . ISSN 0027-8424 . PMC 1085484. PMID 16587341 .   
  21. ^ Davisson, C.; Germer, LH (1927). 「ニッケル単結晶による電子の散乱」 . Nature . 119 (2998): 558– 560. Bibcode : 1927Natur.119..558D . doi : 10.1038/119558a0 . ISSN 0028-0836 . 
  22. ^ Davisson, CJ; Germer, LH (1928). 「ニッケル結晶による電子の反射と屈折」 . Proceedings of the National Academy of Sciences . 14 (8): 619– 627. Bibcode : 1928PNAS...14..619D . doi : 10.1073/ pnas.14.8.619 . ISSN 0027-8424 . PMC 1085652. PMID 16587378 .   
  23. ^ベーテ、H. (1928)。「クリスタルとエレクトロネンの理論」。Annalen der Physik (ドイツ語)。392 (17): 55–129。Bibcode : 1928AnP...392...55B。土井：10.1002/andp.19283921704。
  24. ^ Thomson, GP; Reid, A. (1927). 「薄膜による陰極線の回折」 . Nature . 119 (3​​007): 890. Bibcode : 1927Natur.119Q.890T . doi : 10.1038/119890a0 . ISSN 0028-0836 . S2CID 4122313 .  
  25. ^ 「1926年12月18日：ギルバート・ルイスがネイチャーへの手紙の中で「光子」という言葉を考案」 www.aps.org . 2019年3月9日閲覧。
  26. ^ディラック, PAM (1927年3月1日). 「放射の放出と吸収の量子論」 .ロンドン王立協会紀要. シリーズA, 数学的および物理学的性質の論文を含む. 114 (767): 243– 265. Bibcode : 1927RSPSA.114..243D . doi : 10.1098/rspa.1927.0039 . ISSN 0950-1207 . 
  27. ^ Zettili, Nouredine (2009).量子力学：概念と応用. John Wiley and Sons. pp.  26– 27. ISBN 978-0470026786。
  28. ^ Selleri, Franco (2012).波動粒子二重性. Springer Science and Business Media. p. 41. ISBN 978-1461533320。
  29. ^ Podgorsak, Ervin B. (2013).医療物理学者のための放射線物理学概論. Springer Science and Business Media. p. 88. ISBN 978-3642201868。
  30. ^ハリデー、デイビッド、レスニック、ロバート (2013). 『物理学の基礎』第10版. ジョン・ワイリー・アンド・サンズ. p. 1272. ISBN 978-1118230619。
  31. ^マイヤーズ、ラスティ・L. (2006). 『物理学の基礎』グリーンウッド出版グループ. pp.  172. ISBN 0313328579相補性原理波動粒子二重性。
  32. ^ a bシャモス、モリス・H（1987年1月1日）『物理学における偉大な実験：ガリレオからアインシュタインまでの直接の証言』クーリエ社、108ページ。
  33. ^ Merali, Zeeya (2015年5月21日). 「量子物理学：何が本当に現実なのか？」 . Nature . 521 ( 7552): 278–80 . Bibcode : 2015Natur.521..278M . doi : 10.1038/521278a . PMID 25993941. S2CID 4452144 .  
  34. ^ Eibenberger, Sandra (2013). 「質量10,000 amuを超える分子ライブラリから選択された粒子の物質波干渉」. Physical Chemistry Chemical Physics . 15 (35): 14696– 700. arXiv : 1310.8343 . Bibcode : 2013PCCP...1514696E . doi : 10.1039/C3CP51500A . PMID 23900710 . S2CID 3944699 . [I]na three-grating interferometer… We observe the high-contrast quantum fringe pattern of moleculars… having 810 atoms exceeding 1 particles.  
  35. ^ 「1932年のノーベル物理学賞」NobelPrize.org。
  36. ^ハイゼンベルクは、不確定性原理に関する研究をドイツの主要な物理学雑誌「Zeitschrift für Physik」に初めて発表しました: Heisenberg, W. (1927)。 「運動学と機械学を量子論的に吸収する」。Z.物理学。43 ( 3–4 ): 172– 98。Bibcode : 1927ZPhy...43..172H。土井：10.1007/BF01397280。S2CID 122763326。 
  37. ^ 「1932年のノーベル物理学賞」NobelPrize.org。
  38. ^「不確定性原理」、ブリタニカ百科事典
  39. ^ポーリング、ライナス（1960年）『化学結合の性質』（第3版）イタカ、ニューヨーク州：コーネル大学出版局、p.  47、ISBN 0801403332. 2016年3月1日閲覧。{{cite book}}:ISBN / 日付の非互換性（ヘルプ）
  40. ^アインシュタイン、A.B.ポドルスキー、N.ローゼン（1935年5月15日）「物理的実在の量子力学的記述は完全とみなせるか？」（PDF） .フィジカル・レビュー. 47 (10): 777– 780.書誌コード: 1935PhRv...47..777E . doi : 10.1103/PhysRev.47.777 .
  41. ^ペレス、アッシャー（2002年）『量子理論：概念と方法』クルーワー、149ページ。
  42. ^ Schrödinger, E. (1935). 「分離系間の確率関係に関する考察」. Proceedings of the Cambridge Philosophical Society . 31 (4): 555. Bibcode : 1935PCPS...31..555S . doi : 10.1017/S0305004100013554 .それぞれの表現によって状態が分かっている二つの系が、既知の力によって一時的に物理的相互作用を起こし、その後しばらく相互影響が続いた後、再び分離してしまうと、以前のように、すなわちそれぞれの系に独自の代表を与えることによって記述することはできなくなります。私はこれを量子力学の特質と呼ぶのではなく、むしろ古典的思考からの完全な離脱を強いる特質と呼ぶべきでしょう。
  43. ^パーカー, シビル・B. (1994).マグロウヒル物理学百科事典（第2版）. マグロウヒル. p.  542. ISBN 978-0-07-051400-3。
  44. ^ Mermin, N. David (1993年7月). 「隠れた変数とジョン・ベルの2つの定理」(PDF) . Reviews of Modern Physics . 65 (3): 803–15 . arXiv : 1802.10119 . Bibcode : 1993RvMP...65..803M . doi : 10.1103/RevModPhys.65.803 . S2CID 119546199 . 
  45. ^ BIG Bell Test Collaboration (2018年5月9日). 「人間の選択による局所的リアリズムへの挑戦」. Nature . 557 ( 7704): 212– 216. arXiv : 1805.04431 . Bibcode : 2018Natur.557..212B . doi : 10.1038/s41586-018-0085-3 . PMID 29743691. S2CID 13665914 .  
  46. ^ウォルチョーバー、ナタリー（2017年2月7日）「実験は量子の奇妙さを再確認する」 Quanta Magazine 。 2020年2月8日閲覧。
  47. ^「力学」、メリアム・ウェブスターオンライン辞書
  48. ^「フィールド」、ブリタニカ百科事典
  49. ^リチャード・ハモンド『未知の宇宙』ニューページブックス、2008年。ISBN 978-1601630032
  50. ^ 「注目の物理学者 – ポール・ディラック 1902–1984」www.physicalworld.org。2016年3月4日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2011年12月1日閲覧。
  51. ^ 「1933年のノーベル物理学賞」ノーベル財団。2007年11月24日閲覧。
  52. ^ 「交換粒子」 . hyperphysics.phy-astr.gsu.edu . 2018年10月16日閲覧。
  53. ^ 「コペンハーゲン解釈」abyss.uoregon.edu . 2020年2月27日時点のオリジナルよりアーカイブ。2018年10月16日閲覧。
  54. ^ジム・ルーカス：「紫外線とは何か？」、2017年9月15日、livescience.com、 2017年12月27日アクセス
  55. ^ Durrani, ZAK; Ahmed, H. (2008). Vijay Kumar (編). Nanosilicon . Elsevier. p. 345. ISBN 978-0080445281。

参考文献

さらに読む

以下のタイトルはすべて現役の物理学者によって書かれており、最小限の技術的装置を使用して量子論を一般の人々に伝えようとしています。

ウィキブック量子力学には「量子力学入門」というトピックのページがあります。
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