量子力学に対しての数学や難しい公式を省いた解説
始めに
何時から始まったのか、SF的な設定で何かを説明しようとしている時に何事にも量子力学で何でも解決しちゃうぞ、みたいな流れがアメリカなどではできてるわけなんですけど。
日本でも世界線とかで語られてますね。じゃあその量子力学とは何ぞや、と言うことでここで簡単に説明したいと思います。
この手の話を難しいと感じるなら数学や物理学の難しい式とか使われているせいじゃないかなって。
実際はそんなに難しいものではなくて、法則が直感でわからないだけなのです。
１．量子力学が出来るまでの流れ
量子力学は以前までは出来なかった粒子の観測が可能になったことから始まりました。
ちっちゃくて繊細なカメラで粒子の動きを繊細に捕捉してみましょうと実験をしてみたんですけど、おかしい…、ってなったのが量子力学が出来たきっかけですね。
何が可笑しいって、光は粒子だと思って光の粒子を発射したらそれが分散してて。それが波動のように広がって。波動だと思ってじゃあその動きはどうなってるのかって観測しようとしたら粒子になってて。
そしてここで言う波動か粒子かと言うのは、粒子が本来持つ波打つ性質とは異なる、もっと根本的なものとなります。例えば光は固有の波長をもちますよね、長くなったり短くなったり、谷が浅かったり深かったりと。そういうものではなく、粒子は、そもそも光学的な実体を持ちません。
光学的ではないのでそれが何の形をしているのかがわからないのです。
と言うわけで、ここでいろんな解釈が生まれ、小さな粒子は私たちが感覚器官で直感的に知覚できるものとは全く違う性質をしているということから、じゃあその性質が一体何なのかと言う話になって。多くの物理学者たちがそれに取り組んで作り上げたのが量子力学と言う物理学の分野です。
元々光や粒子の性質が何か感覚的なものとは違っているということに関しては、相対性理論の時から言われていたんですけどね。
その相対性理論に対して話してみましょう。学校で学ぶことではありますけど、興味がないと忘れてしまったりしますからね。
２．相対性理論
量子力学が生まれる直前に起きた大きなパラダイムシフトと言うと光の性質に関してのアインシュタインの考察ですね。
何がって、動く人からしても、観測者の目に入る光の速度は等速であるからなんですけど。
具体的に考えてみるとこんな感じです。
特定の場所から直線状に向かって光を発射させるとします。
そして光と同じ速度で動く物体がありまして、その物体の方が光の前に先に出発します。光は後を追います。直感的に考えると光はその物体にたどり着けません。光と等速で動いているから。
けど光はその物体にたどり着いちゃうんですね。なぜって、その物体からしたら光は変わらず光速で動いているから。
鏡を持ったまま光の速度で走ると自分の顔から発射された(？)光の粒子が鏡にたどり着けないから、鏡を見ることは永遠に叶わないとか、そういうものではなくなるわけなんです。
ちょっと意味が分からない話だと思いますが、これは実際に規模的に小さくはなってますけど実験がなされてて。
光の速度が等速と言うのは動く物体の速度の時間が遅くなるということを意味します。なぜって速度は時間に反比例するものですからね。
これは人間の感覚では直感的に理解できるものではないということで、宇宙の法則は人間の直感とは関係がないということだったんですけど。
量子力学はそう言った直感を超えた領域からまた一つ進んだところにあるものなのです。
ちなみに相対性理論には一般相対性理論と特殊相対性理論がありまして、光が等速であるという話からの前述した考察は特殊相対性理論、重力が時空間を歪ませるという話が一般相対性理論なんですね。
一般相対性理論も光と観測者の関係性に由来した洞察ではあります。なぜって、重い物体は空間を歪ませ、それは光までもを屈折させるからなんです。
天体は様々な速度で動いてて、私たちの地球が太陽系を公転しているだけにとどまらず、太陽系も銀河を回転しているんですね。
このように回転しているのにもかかわらず光は常に私たちが観測出来ている。それは光が重さのある物質とは違う独自の法則で動いているからなんですね。
重さがこの、“独自の速度に動く法則”に触れるカギとなってて光は質量を持ってないとします。すると質量が増えるとその“独自の速度で動く粒子”までもを屈折させることも可能ではないか。と言う考えに至ったんですね。
だから順番的に特殊相対性理論が先に来て、次に一般相対性理論が来てるんです。
ちなみにかの有名なE=mc2と言うのは持ってる質量により“独自の速度に動く法則”にかかわる度合いがどのような関係性を示しているのかを表している式となります。
相対性理論は質量、光速、時間の関係性を端的に説明する理論として今でも使われています。
ここから派生された仮説も多くありまして。
質量が0の場合、光となるというのなら、質量がマイナスな場合は光の速度も超えるのではないかと言う考えから出た仮想の粒子があります。タキオンと言うんですけど、これは光より早いため時間を遡ることも出来たりとめちゃくちゃな理論上の性質を持ってますけど、まあ、証明されたことはありませんね。
SFで使うなら面白いかもしれませんが。皆逆行大好きですし、タキオン粒子で説明するのはどうでしょう？
３．量子力学の起源
相対性理論で大騒ぎになっている物理学業界。
じゃあその光をもっと具体的に観測してみようぜ、となりました。
レーザーとか色々準備して、カメラとかおいて。昔はこういう機材がなかったものですから、実験に対する提案とかはそれこそニュートンの時代からされてたんですけどね。
技術が追い付いてもう実験が出来るようになったと。
皆もう、わくわくして実験に取り組んだんですね。
光と質量の相関関係を知ることが出来たんだから次は光そのものが単独で持つ性質がどういうものかと言うことでね。
だけど光は波動と言う派閥と粒子と言う派閥で別れててたんですね。
それでスリットを二つ作って、そこにレーザーを掃射しました。波動の性質を持ってるならレーザーは途中で干渉するはずですよね。
そうはならなかった。途中で干渉して広がるようになったのではなく、スリットを通過した瞬間干渉を初めて広がり始めた。
つまり途中までは粒子として直進したんですよ。なのにスリットを通過した瞬間干渉を始めてしまった。
あれ？スリットがそこにあるのかなぜわかったの？って思いませんか？スリットを通過しただけなんです。なぜスリットを通過しただけで、ぶつかったわけでもない、性質が波動となってる。
おかしいでしょう？
これは一体…。ってなったわけなんですね。しかも光はこんなものだとして、それから数十年後に電子はどうなのかと掃射したら同じ結果が出てます。
あれれ？となって、この素粒子の世界の奇天烈な現象を研究する学問が量子力学です。
ちなみにこの意味不明な現象、未だに理由はわかってません。ただ式として確立して、当たり前のように使ってはいるんですけど、理由に関しての解釈はもうそれこそ物理学者の数だけいると言っても過言ではない…。物理学者だけじゃなく量子力学を知っている人ならそれぞれ別の解釈をしていると言えなくもないですから、もうそれこそ人知を超えた世界になってます。
相対性理論は、説明出来てるんです。質量とエネルギーと光と時間の四つのファクターが噛み合あってできた現象であると、説明がなされてる。
けど量子力学の、このスリットを通過するまでは粒子の性質だったのに通ってから干渉を始めるなんて、粒子が知覚があるとでも？と言うことで。
ただここで終わりじゃないんですね。
じゃあスリットを通過する粒子がどのように動くのかを感知する機材を置きました。するとどうなったかって。
スリットを通過した粒子が、直線状に並びました。
ちょっと説明だけでは難しいかも知れませんけど、二十スリット実験と検索してみれば出てくるのでそれを参考に…。
簡単に整理するとこんな感じです。
a.スリットを貫通したら波動のように広がる。
b.スリットを貫通する粒子の動きを観測する機材を設置したらスリット隙間と同じの形として光が映る。
つまりですね。観測をしたら、性質が変わったんです。
は？
って感じです。
機材を置かないと、波動なのに、機材を置いて観測をしたら、粒子になってる。
ただですね。これで終わりじゃない。
スリットを二つ作った先、波動として映る場所があるじゃないですか。
その場所にまたカメラを置いたんですね。
光がスリットを通過してたどり着いた場所に、カメラを置いたんです。
通過する時点に機材で観測をしたんじゃなくて。
するとどうなったかって、カメラに映ったんですね。
これが何を意味するかと言うと、カメラに映ることを、先に粒子が理解して性質を変えた、と言うことです。
はい、ちょっと意味がわからないですね。事実です。嘘じゃないです。家でも、誰だってレーザーとカメラがあると実験できて、理系なら大学でも実験できますよ。
これが量子力学の意味不明な性質ですけど、これを一般的にどう解釈しているかと言うと。
４．コペンハーゲン解釈と多世界解釈
コペンハーゲン解釈がなぜコペンハーゲン解釈と言う名前が付いたのかは、別に特別な意味があるわけじゃありません。普通に当時に著名な物理学者たちがコペンハーゲンで解釈したからコペンハーゲン解釈なのです。
それでそのコペンハーゲン解釈なんですけど、素粒子は観測する瞬間には素粒子の性質を持ち、観測してないと波動であるという、まあ、まさにそのままの解釈なんですね。
いやいや、何の説明になってないじゃないかって思わずにはいられないんですけど。そして粒子と波動の性質が特に分けられる分岐点なんて存在しない、粒子でもあり、波動でもあると。そしてその事象は重なっている状態にあると。観測されるまでは波動と言う波動と言う確率、観測されたら粒子であると。
よくよく考えてみると身も蓋もないですよね。
こんなので納得できるわけないだろう、いい加減にしろと言いたいところですが。
実際に本人たちもこの現象の理由に思い当たることなんてあるわけがないので。神様じゃないんだですからね。
けど当然なことにこんなふわっとした解釈には反発もあったんですね。
「粒子と波動の性質を同時に持つというのならさ、粒子の状態が確率的に半々の状態であるものが状態が変わるのをトリガーになるよう設計した箱の中に猫を入れてみたらどうだ。その粒子の状態は観測されるまでは確率的に波動なわけなんだから、猫も半分は死んでて半分は生きてるってことだろ。ふざけんなよ」みたいな。
これがかの有名な“シュレディンガーの猫”です。
一般的には“シュレディンガーの猫”は量子力学で言う、粒子でもあり波動でもあるという同時性を説明している話を語る時に使われますけど、本人は真逆の意図で話していたんですね。そんなわけがあるか、と言うことで。
しかもですね、粒子が何を根拠に観測されていると見なされているかはわからないんですね。私たちが目で見たら観測されたことになるのか、それとも何かしらの行動を起こしたことにより観測が起きて波動状態だった素粒子が粒子としての性質を持つようになるのか。
そしてたとえそうだとして、波動状態にある確率の世界は一つではない確率の世界なので、世界そのものが一つじゃないってことにならないか。
これが、多世界解釈です。並行世界、パラレルワールドはここから派生した話なんですね。
蛇足
多世界解釈のパラレルワールドの話は、量子力学よりタイムトラベルの方に馴染みがある感じですけど。これは論理学ですね。タイムトラベルが可能ならそれはどのような形になるのかってことで、過去の世界を変えることは出来ない、出来るけどそうしたらその結果が今の自分にも反映される(すると親殺しのパラドックスが発生します)、過去には行けず行けるのは並行世界だけ。
と言うことで、タイムトラベルとセットに量子力学の多世界解釈が使われるという。
夢が広がる話だと思いますけど、皆SFより異世界が好きなんですよね…。面白いSF作品が見たいんですよ。
私は…、まあ、気が向いたら書くかもしれません。
魔法が実は量子力学的な何かしらの技術だった、とか。そういうの面白そうとは思いませんか？主人公は量子力学の知識があって、皆魔法を詠唱とかしてるのに量子力学なことがわかってるためそれで優位に立つという…。
魔法が量子力学とかかわりがあるかもしれないという話は、観測された瞬間に粒子の性質が変わるなら、その観測範囲を任意に変えて特定の方向へ誘導できるとしたら、何か膨大な事象を起こせるかもしれないじゃないですか。
わからないんですよね、未だに。超能力を題材にした作品とかで原理の説明に使われたりしているようですけど。
それも面白くて好きです。
5．量子とはすなわち情報の単位
ここまで読んで、じゃあ量子はなぜ観測されたことをわかったのかと言うことに疑問を持つようになった方々も多いと思います。ここで出てくるのが、量子とは実は一般的に考える物質としての性質ではなく、デジタル信号やピクセルのような性質に近いかもしれないという、量子＝情報と言う考え方です。
つまり、計測されたことによって計測と言う結果が粒子に反映され、反映された分が上乗せされたことにより結果が変動したと。
問題と言うか、じゃあなんで未来の結果が過去の事象を変えているのかって話なんですけど。
それは素粒子は空間だけではなく時間までも行き来しているから…。
と言うのは冗談でも何でもなく、粒子にとって未来と過去は分割した瞬間の重なった状態ではなく、連続体として繋がった状態なんですね。4次元で軌道が描かれているということです。
物理学者のカール・セーガンはこんな仮設まで言っています。
「もしかすると我々の宇宙にはたった一つの電子しかいないかもしれない。」
と言うのはですね、一つの電子が時間を無限に遡ってすべての事象で現れているという…。
さすがにこれは暴論な気がしますけど、果たして間違っているかどうかに関しては、証明されてないので何とも言えません。本当に量子世界はどうかしています。まさに人知を超えている領域と言った方がいいかもしれませんね。
ただですね、この事実、少しゾッとしませんか。
なぜって、これはシミュレーション仮設と通じているからなんです。
世界がデジタル信号のような性質を持つ素粒子で出来ているのなら、我々の世界が仮想世界ではないという証明なんて…、果たして出来るのでしょうか。
最近では人生をゲーム感覚で楽しむ人も増えていますが、あながち間違ってないかも知れません。ここは人生と言う名のゲームの世界、死んだと思って目が覚めたらこの世界より高次元でヘッドセットみたいなのをしていたとか。
量子力学を知るとですね、このように、世界を見る感覚に重大なパラダイムシフトが起きてしまうのです。
私も量子力学を知ってからはこの世界はデジタルなんだよね、とか思って生きているんです。
6．量子力学の現在
いくつか面白い理論や仮設があるのでここで紹介します。
a.陽子崩壊(Proton decay)
量子はQuantum tunnellingと言う現象を引き起こします。素粒子は波としての性質と粒子としての性質を同時に持つことは前述した通りですが、実はこの波としての性質で勝手にエネルギーの移動が起きるんですね。勝手に粒子同士の幕である電子の場を越えちゃってたりして。
陽子崩壊とはこのこうやって粒子同士で勝手に自分たちの境界線を越える現象がそれこそ未来永劫続けたらと言う考えのもとで提示された仮説の一つです。勝手に粒子が粒子同士の境界線を越える現象自体は核融合に用いられているんですね。
粒子同士が境界線を越えてエネルギーを行き来することが出来なければ核融合だって出来ないわけですから。
それと放射線物質も、Quantum tunnelingで具体的な様子を把握できます。
問題と言うか、仮設段階で証明もされてませんけど、ただ粒子を放っておいたらエネルギーを勝手に交換してエントロピーが減っていくはず。
自然界にある物質は、ほぼ例外なく不安定な状態にあります。だから電子を交換して分子になっちゃったりしてるんですね。
しかしこの不安定な状態が解消されるように熱エネルギーが閉塞に向かって進むとどうなるか。
安定な物質に向かって核融合と分裂を繰り返す。
原子核にある陽子と中性子が勝手に崩壊して、一番安定している粒子になると。
ちなみに、この一番安定している物質。
鉄です。皆鉄になっていくのです。
ただの仮設ですけどね。そしてこれは最終的に低温核融合を引き起こすことを前提にしていますが、低温核融合なんて現象が発見されたら実現されてないはずがない。
しかし完全に否定することも出来ません。何せ、証明のためには原子核を構成している粒子が崩壊する、素粒子崩壊が前提なんですけど。
この素粒子の崩壊、分子が安定していればいるほど無限に近い年月をかけないと崩壊しないんですよね。
陽子の場合は、1.67×10＾34年以上かかります。陽子が崩壊して、皆鉄になるために必要な年月は、実際の物質同士の総合作用の時間も必要なわけですから、これをまたはるかに超えてて…。
ただですね。すべての物質は必ず崩壊するように出来ているのです。それに無限に近い年月がかかるとしても。
なので皆、すべてが鉄になる未来、恐ろしくもありますけど、なんだかロマンを感じませんか？
b.量子もつれ(quantum entanglement)
二つ以上の素粒子が何らかの力によって結ばれた場合、この粒子はいくら離れた場所にあったとしても互いに共鳴し合います。
魔法かな？魔法じゃありません。私もちょっと初めてこの話を聞いた時に混乱しました。この離れる距離、理論上は無制限なのです。
意味が分からないんですけど、この意味の分からない魔法のような現象って、生命体の核心を作ってるんですよね。
量子が二つ繋がった状態で徐々に距離が広がる、ちょっと何かに似てませんかね。
はい、細胞分裂ですね。実際に観測されるかどうかまではわからないんですけど、生物が同じ構造を持つ粒子を再生産することには量子のもつれが使われる可能性がかなり高いという話です。あまり現実味がないかもしれませんが、そもそも生物の発生からしてアミノ酸が勝手に生物になりました、とか。それこそオカルトです。
生命体の基礎的な部分に魔法のような量子力学的な現象が存在する。不思議でなりません。こういうのを研究する学問を量子生物学と言います。
この量子のもつれを利用すれば、理論上では範囲がどこまで広がってもタイムラグなしの通信が可能となります。宇宙時代に入ったら必ず実用化しないといけない技術の一つですね。
c.第二世代クォーク
粒子の中にも粒子があります。粒子加速器で見つけたことの一つですね。原子核を壊してみたらその中にも何か入ってて。
それで最初に見つけたのがハドロン(強粒子)と言う粒子で、この中にクォークが入っているんですね。
クォークの他にもレプトンとかボソンとかありますけど、レプトンは核を回る電子の類です。ボソンは光、Photonですね。
そしてこのクォーク、第一世代から第三までとありますけど、詳しいことは省いて説明すると、世代を上がるごとに安定します。
私たちを構成しているのが第一世代であるということはその上にある粒子もあり得るということなんですね。
だけどですね、第二世代のクォークは発見されてますけど、第二世代のクォークだけで出来た物質は未だに見つかってはいません。物質が見つかったらそれはもう大騒ぎになるはずですが、クォークだけ見つかったら大変なことになるかもしれません。
なにせ、第二世代のクォークって、自らを安定させるために周りからエネルギーを引っ張ってて、その引っ張られたエネルギーによって連鎖反応が起こるかもしれないので。
チャームクォークとストレンジクォークと言うんですけど、この二つだけで出来た量子核があるとするなら、地球上で発見されたどの物質より強いことは間違いありません。
もちろん周期表にも載ってないんですよ。
まさにロマンの塊です。
どのような性質を持っているのか、わくわくが止まりません。
ちなみに第二世代の量子核を持つ物質が発見される確率自体はあります。それこそ魔法の物質だったりして。
ただ第二世代のクォークだけで出来た量子核には同じく第二世代のレプトンで出来た電子が必要で…、この第二世代のレプトン、muonと言うんですけど、このmuon、独自の法則を持ってるかもしれない。つい最近その事実が発見されて大騒ぎになってましたね。
果たして第二世代だけで出来た物質は存在するのか。
何せ宇宙は広いんです。あり得ないことなんてあり得るのでしょうか。
このように、量子力学にはロマンが広がリングなんです。
ただ…、まあ、物理学ですからね。詳しく調べようとすると数字と式で頭がパンクしちゃいますね。
なぜ観測によって量子の性質が変わったと認識しているのか、以前までは書かなかったんですけど考えてみればちょっと投げやりな感じがしたので追記しました。
