最終更新日: 2023 年 2 月 13 日

私たちの物質は量子ではありません！

量子の奇妙さ

「量子物理学を本当に理解している人はいないと言っても過言ではないと思います。」リチャード・ファインマン (1918-1988)、量子物理理論家。
量子物理学の影響は非常に複雑かつ異常であるため、科学界の多くは量子物理学を回避することに決めています。しかし、量子現象を説明するための計算の実行方法については物理学者の意見が一致していますが、量子現象を説明する単一の方法については統一見解がありません。これにより、この分野はあらゆる普及にさらされることになり、私たちは警戒しなければなりません。多くの記事やビデオは、すべてが量子であることを説明しています。
量子という用語は、日常生活のさまざまな分野 (原子核物理学、化学、固体物理学、光学、宇宙論、エレクトロニクス、医学、生物学など) で区別なく使用されることがよくあります。物質と光のこの量子的な奇妙さは、私たちの古典的な世界全体に広がりました。
粒子スケールでは、原子は量子であり、光子も量子であるため、外挿により宇宙全体 (物質とエネルギー) は量子です。したがって、量子という用語を存在するすべてのものに一般化するのは簡単です。しかし、量子物理学は巨視的スケールには影響を及ぼしますが、主に無限に小さい世界、つまり数十個の原子からなる粒子、原子、分子の世界に関係しています。物質の量子概念が現れるのは、この原子および亜原子スケールでのみです。これらの概念の中には、ここでは説明しませんが、粒子波の二重性、状態の重ね合わせ、量子もつれ、さらには非局所性などがあります。量子物理学が物質の構造をその物理的特性 (質量、半径、化学結合の性質、安定性、エネルギーレベルなど) で非常に正確に記述するのは、これらの概念のおかげです。

量子の概念の例

- 原子は孤立すると、ナノメートルオーダーの波になります。
- 真空中で孤立した鉄原子は、同時に無数の異なる位置を占めます。
- 2 つの光子は、一緒に生成されると、それらを分離する距離に関係なく、絡み合ったままになります。

なぜこれらの量子状態は巨視的スケールで消失するのでしょうか?

これらの物質の状態は直観に反します。なぜなら、何十億もの粒子で構成される私たちの世界ではそれらを観察できないからです。顕微鏡スケールでは、孤立した量子物体は空間全体を占める波のように振る舞い、正確に位置を特定することは不可能です。これは、相互作用が作用すると、非常に特定の位置にある特定の体積を有する微粒子ではなく、拡散した、かなり曖昧な物体に遭遇することを意味します。デコヒーレンスの理論については合意があります。それは、物体が大きすぎるか、環境中の物質（空気、液体、固体、光など）と相互作用しすぎるとすぐに、それは量子でなくなることを示しています。

環境と相互作用することによって、量子対象は別のスケールに切り替わる。放浪中に、環境内の他の物体 (物質と光) に遭遇し、それらと相互作用します。
これらの相互作用の複雑さは、すべての量子状態がすぐにインコヒーレントになるため、位置をとらなければならないほど複雑であるため、デコヒーレンス理論と呼ばれています。数学的には、これらの相互作用は物体の量子位相、つまり波の発現を破壊します。この位相シフトは最終的にゼロになり、物体はシステムの物理的状態の 1 つ、つまり最も可能性の高い状態で私たちの巨視的な世界に現れます。言い換えれば、環境内の原子と衝突すると、量子物体は減少する。これを「波パケット削減」といいます。

量子物体は地球環境からそれ自体を抽出することができないので、その量子状態が存在することをどのようにして知ることができるのでしょうか?

量子物理学におけるすべての実験は、超高真空または極低温 (絶対零度に近い)、またはその両方の極限条件下で実行されます。場合によっては、環境の数百倍という非常に高い圧力でも発生します。
いずれの場合も、粒子は測定されるまで他の粒子と遭遇してはなりません。巨視的な物体に作用する超伝導性（電気抵抗の欠如）や超流動性（粘性の欠如）でさえ、室温ではそれ自体を発現することはできません。温度が絶対零度に近づくと観察されます。たとえば、液体ヘリウムを絶対零度から 2 度以内にすると、微粒子は再び波になり、ボースアインシュタイン凝縮に相当する 1 つの巨大な波に集まります。
極度の真空と温度条件が続く限り、波はデコヒーレンスに抵抗し、持続します。これが、絶対零度から 2 度の液体ヘリウムがガラス壁のナノホールを通過する理由です (波にはもはや粘性がありません)。ガラスの外に出ると、波は物質（空気）と相互作用し、消えて微粒子として現れ、ヘリウムの滴がガラスの下で凝縮します。
極限状態がなければ、私たちの日常生活には量子効果は存在せず、私たちの環境はあまりにも豊かで、あまりにも混沌とし、あまりにも興奮し、あまりにも無秩序です。ただし、量子効果は一度に存在したり、まったく存在しなくなるわけではありません。私たちは、量子効果が存在しない豊かすぎる環境から、量子効果が現れる情報が非常に乏しい環境に移行することはありません。波動関数 φ(r,t) または存在確率密度は、古典的な世界では瞬時に消滅するのではなく、ゆっくりと減衰してから消滅します。すべての量子物体はこの波動関数 (psi) によって特徴付けられます。これは、粒子が空間内の特定の場所に存在する確率を表します。粒子が正確に可能性はあるが予測不可能な位置に縮小（環境と相互作用）するのは、測定中のみです。
量子物体は古典状態に現れるまでのデコヒーレンス時間を常に持ち、それは小さいですがゼロではありません。これにより測定が可能になります。

要約すれば

量子物体は非常に壊れやすいです。その壊れやすさは、超高真空または超低温の性質によるものです。このような極限状態における量子物理学の概念はよく理解されています。 1 世紀の間、その方程式が崩れた実験はありませんでした。