波と粒子: 計り知れない二重性

画像の説明: この画像では、約 500 万分の 1 ミリメートル (5×10)⁻⁹m) 波のように振る舞う鉄原子を 48 個数えることができます。これらは原子ではなく、脳が解釈できるように可視領域の画像表現です。この画像は、原子の上を移動するトンネル顕微鏡の先端を流れる非常に小さな電流を測定することによって作成されました。画像出典: IBM Almaden Visualization Lab

波動と微粒子: 物理学を変えた謎

ザ粒子の世界電子、光子、陽子、原子と同様に、脳を含む私たちの知覚器官はアクセスできません。どのような画像や解釈も量子世界の現実を表現することはできません。私たちの言語でさえ、量子現象を説明するのに近似することはできません。

この現実について言えること、示されることはすべて虚偽ですが、それでも私は、量子物理学のこの基本的な概念についてのアイデアを提供しようと努めます。波動粒子双対性」 ただし、フィールドについて話す必要があるため、この用語は現在では使用されません。

量子力学では、粒子は微粒子であり波であるということをよく聞きます。実際には、それは微粒子でも波動でもなく、すべての状態の重ね合わせ粒子の。

技術的な定義では次のように述べられています。量子粒子は、時空間に局所化されたエネルギーと情報の定量化を表す基本的な実体であり、重ね合わせ、もつれ、不決定論の原理によって支配され、次のように数学的に記述されます。ステータス関数(状態ベクトル)ヒルベルト空間。

言い換えれば、微粒子でも波動でもない量子粒子は、量子力学と量子場の理論によって記述される基本場の量子化された励起として定義できます。

ヤング突進と呼ばれる実験の現代的な説明。

ビデオの説明: サイトの波動と粒子の二重性の現代的な解釈すべては量子である。

• 2 つのスリットのある壁に微粒子 (固体) を送信すると、各微粒子は一方または他方のスリットを通過し、あらゆる方向に跳ね返り、衝突点がスリットの後ろのスクリーンのほぼどこにでもマークされます。
• この同じ壁に波を送ると、波は 2 つのスリットを通過し、スリットを通過することで 2 つの小さな波が生成され、それらが重なり合い、ある場所では加算され、別の場所では互いに打ち消し合い、干渉縞が画面上に表示されます。
• 量子オブジェクトを送るとき、それは 2 つのスリットを通過し、波のように干渉しますが、スクリーンに当たると、突然 2 つの小さな波が加算される点に減少します。多数のテストを行った結果、両方の衝撃が微粒子と同様に現れ、干渉縞が波と同様に現れることがわかりました。
• しかし、粒子がどのスリットを通過するかを知るために観測者を追加すると、波はスリットで微粒子に崩壊し、一度に 1 つのスリットだけを通過することになります。次に、干渉ではなく、画面上の衝撃点を測定します。

注： :
この経験をどう解釈するか?量子システムの状態を決定したい場合は、それを観察する必要がありますが、この観察には問題の状態を破壊する効果があります。

物質が踊るとき: 波動と粒子の二重性が解読される

量子物理学のスケールは非常に小さいため、ビーチで波やボールを見るように量子物体を見ることは不可能です。水素原子の大きさは 53 pm (53 x 10^-12メートル）、1ミリメートル上に1000万個の原子を並べることができます。

ヤングの実験は、量子物体を測定するとその性質が変化することを示しています。時には微粒子である場合もあれば、波動である場合もあり、さらに測定装置や観測者によっても異なります。

ヤングスリット実験からわかることは、量子物体がいかなる環境からも解放されると、それは波として現れるということです。しかし、環境 (スクリーン、壁、観察者、さらには空気分子) が強制的に相互作用すると、物体、あるいはむしろそのエネルギーは突然点まで減少し、微粒子のような外観を帯びます。

画面を見ると、波面はどこでも減少するのではなく、波が強い場所、つまり山や谷で減少することがわかります。つまり、波の斜面よりも波の上端と下端のほうが減少の確率が高くなります。波の位相が逆の場合はゼロですらあります。

粒子を 1 つずつ送信すると、最も驚くべきことは、多数の測定を経て、最終的には波束が減少したにもかかわらず、干渉縞が得られることです。

説明は 1927 年に提案されました。マックス・ボーン（1882年～1970年）。粒子は確率の波。この恐ろしい定義は、量子対象について話そうとするときに遭遇する困難を示しています。

簡単に言うと、粒子がその位置に存在する確率を予測するのは、特定の位置における波の振幅です。 振幅が大きいということは、そこに粒子があるという意味ではありませんが、(波束が減少した後) 粒子が最も見つかる可能性が高い場所です。

要約すれば

量子力学では、粒子が空間内の特定の場所にあるかどうかはわかりませんが、そこに存在する確率はどれくらいですか。それは環境と相互作用する必要がある場合にのみ位置を持ちます。位置を持たない前に、それはどこにでも存在し、その性質は波状です。まさに星から放出される光子のようなものです。それは何百万年もの間自由に移動してきましたが、波として相互作用する網膜に到達すると消滅します。

量子力学の方程式は、確率に関するものであることをいったん受け入れると、驚くほど正確であることがわかります。宇宙を構成するすべての物質（星、惑星、木、あなたなど）は、確実性ではなく確率によって支配される原子と素粒子でできています。