利用者:訳由美子/翻訳中6
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量子力学は、非常に小さいものについての学問である。これは物質の振る舞いとそのエネルギーとの相互作用を原子および亜原子のスケールで説明する。古典力学は対照的に月などの天体の振る舞い含む人間の経験になじみのあるスケールでのみ物質とエネルギーを説明する。古典物理学は今でも現代的な科学技術の多くで使用されている。しかし、19世紀の終わりに向かうころ、科学者は大きい(マクロな)世界と小さい(ミクロ)世界の両方で古典物理学では説明できない現象を発見した[1]。観察された現象と古典理論との間の矛盾を解決したいという望みは、物理学に2つの大きな革命をもたらし、元の科学的パラダイムにシフトをもたらした。相対性理論と量子力学である[2]。この記事では物理学者が古典物理学の限界を発見し、20世紀初めの数十年で量子論の主要な概念をどのように開発したかについて説明する。これらの概念を、最初に発見されたおおよその順序で説明する。より完全な歴史については量子力学の歴史(en:History of quantum mechanics)参照。
光は粒子のような側面と波動のような側面で振る舞う。電子や原子などの粒子からなる宇宙の「もの」である物質も波動のような振る舞いを示す。ネオンライトなどの一部の光源は特定の周波数の光のみを放出する。これはネオンの原子構造により決定される明確で純粋な色が集まったものである。量子力学は、光が電磁放射の他の全ての形態とともに、光子(フォトン)と呼ばれる離散的な単位で届くことを示し、そのスペクトルエネルギー(純粋な色に対応)とその光ビームの強度を予測する。単一の光子は、電磁場の量子または観測可能な最小の粒子である。部分的な光子が実験的に観測されることはない。より広義には量子力学は、位置、速度、角運動量など古典力学におけるズームアウトな視点からは連続的に見える物体の多くの性質が(量子力学の非常に小さくズームインしたスケールで)量子化されていることを示す。素粒子のこのような性質は、小さな離散的許容値の集合のうち1つをとる必要があり、これらの値の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)スケールでのみはっきりと見ることができる。
量子力学の多くの側面は直感に反しており[3]、大きなスケールで見られるものとはまったく異なる振る舞いを説明するため、逆説的に見えることがある。量子物理学者のリチャード・ファインマンの言葉によると、量子力学は"nature as She is—absurd"を扱っている[4]。
例えば、量子力学の不確定性原理は、1つの測定値(粒子の位置など)をピンで止めるほど、同じ粒子に関連する別の相補的な測定値(速度など)の精度が低下することを意味する。
別の例はエンタングルメントであり、エンタングルメントでは非常に離れた2つの「エンタングルした」(もつれた)粒子の任意の2値状態(上または下に偏光された光など)のどちらかで行われる測定により、もう1つの粒子での後続の測定は常に2値のうちもう1つの値となる(反対方向に分極されるなど)。
最後の例は超流動である。超流動では温度が絶対零度近くまで冷却された液体ヘリウムの容器が、重力に逆らって容器の開口部を超えて(ゆっくりと)自発的に上昇する。