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量子の波動性 -2重スリット実験-
とある理由で、量子の波動性から不確定性を説明する機会があり、記憶を補完するために調べなおしたので、備忘録をかねて記録して置きます。
間違っている部分とかもあるかもしれませんので、もし間違いがありましたら指摘していただけると幸いです。

まず、単波長の光源から光を出して2つのスリットを通して感光版を反応させることを考えます。
二重スリット実験

光は光子という粒子の性質と電磁波としての波の性質を持っているので、こうすると光の回折現象から左右スリットを通った光同士が干渉して干渉縞という模様を描きます。
右スリットを塞いで左スリットのみで感光させると干渉は起きないので縞模様はできません。
左スリットのみを塞いだときも同様ですし、同じ感光版を使って、右を塞ぐ>右を空けて左をふさぐとした場合も当然縞模様はできません。
ここまではごく普通の現象です。

では、ここで光の粒子性に着目します。
光源を改良して、一度に1つの光子のみが放出されるようにしましょう。
その状態で光子を連続的にひとつずつ放出してゆきます。
この場合、光子は一粒ずつ感光版に当たりますので、一度に光子が通過するスリットはどちらかひとつのはずですね。
そうなると、スリットを片方ずつ空けた場合のように、縞模様は現れないように思えます。
しかし、実際には縞模様が現れるのです。
これは、光子が粒子でありながら波としての性質を併せ持っているために起こる現象です。
光源を出てから感光版に到達するまでの光は、粒子でありながら波であるという不可解な状況を作り出します。
その結果、感光版に達するまでの光子は「確率の雲」のような状況になって、感光版に達した時点で収束するのです。

これだけでも、不思議な現象なのですが、ここでスリットに光子の通過を観測できるセンサーを付けたとしましょう。
とうぜん、センサーは光子の挙動には一切影響を与えないパッシブなものです。
その状態で、また光源から連続して光子をひとつずつ放出するとどうなるでしょうか?

普通に考えると、直前の実験と同じように干渉縞を作りそうなものですが、なんと縞はできなくなるのです。
つまり、スリットの通過を「観測する」事で「確立の雲」はそこで収束してしまうのです。
その結果、その時点で波としての性質が失われて、干渉という作用を及ぼさなくなります。

ただ、光子は電磁波でもあるので、こういった不思議な現象が起きるとも考えられますね。
しかし、同様のことを電子や原子核といった、より「粒子」らしいもの(これらは光子と違ってきちんと質量も持っています)でやっても同様の結果となります。
こちらは電子で同様の実験(スリットは使っていませんが原理は一緒です)を行ったときの結果です。

このように、素粒子レベルの非常にミクロの世界では、物質は「量子」としての挙動を示します。
量子は採りうる状態に確率的要素がある状態では、波として「確立の雲」のような不確定な状態となります。
そこに、状態を確定するような要素として「観測する」という行為を入れると、その時点で収束して粒子としての振る舞いに戻ります。

現代の科学では、まだこういった挙動を完全には解明しきっていませんが、こういった挙動を利用して、量子コンピュータや量子暗号といった技術が研究され、一定の成果を上げています。

ちなみに、こういった挙動を説明するために、「平行世界」を持ち出すのがSFでは良くあります。
確かに、上記の「確率の雲」の状態は、「取りうる軌跡の一つ一つを具現した平行世界」が重ね合わさっているように解釈することは可能だと思えます。
しかし、それだと「波としての特性」である干渉縞が現れるのが微妙になってきますね。
感光版に達した時点で、平行世界のうちのどれかが残り、残りは破棄される(またはパラレルワールドとして存続する)とするなら、感光版のすべてのポイントに粒子が現れる可能性が残されるので、干渉縞(特に真っ暗な部分)ができるのはおかしいということになります。
まあ、平行世界の選択に何らかのムラができるとすることも不可能ではないでしょうが、ちょっと強引な気がしますからね。

とはいえ、「量子でしか起きない」とか「観測する」事で結果が変わるというのは、ちょっと普通の理論では説明しきれないようにも思いますから、我々のいまだ知らない統一論理みたいなものがあるのも確かなのでしょう。
平行世界は絶対にありえないとまでは言い切れないのです。
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テーマ:物理学 - ジャンル:学問・文化・芸術

コメント
この記事へのコメント
誤記…
「平行世界」は「並行世界」ですね…
2007/06/26(火) 20:55:52 | URL | B51(管理人) #NSULs8mg[ 編集]
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