相対性理論と共に、現代物理学を支える理論の一つ。多くの科学者がアイディアを出し合いながら、この理論は形作られた。
量子論は、物質を小さく分割したときに現われる原子や電子、光といった世界の正体に迫る理論である。
概要
起源
可観測物理量は各瞬間で定まった値を持ち、測定とはその値を知ることであるとするのが従来の古典論的考え方である。
しかし、それでは説明しきれない物理現象がEPRパラドックスやベルの不等式で明らかとなり、新しく提案された物理学理論の骨組みが、量子論であった。
二つの基本概念「基本変数が同時に定まった値を持つことはない」、「物理状態は基本変数から観測量の確率分布への写像である」から作り上げられた。
特徴
前述の要請を満たす理論には、演算子形式や経路積分、確率過程量子化など様々な形態があるが、そのうち演算子形式で物理状態に時間発展を負わせるシュレディンガー描像、演算子形式で基本変数に時間発展を負わせるハイゼンベルク描像(Heisenberg描像)が一般的な理論の形式である。
量子論の世界
波と粒子の二面性
光は、トーマス・ヤングの1807(文化4)年の実験「光の干渉」から、波動の性質(光の波動説)を持つことが確認されている。
しかし19世紀末になると、光は単純な波ではなく、粒子の性質があることが徐々に明らかとなってきた。1905(明治38)年にアルベルト・アインシュタインは光電効果を発見し、この時、「光は波であるが、そのエネルギーにはそれ以上に分割できない最小の塊がある」ことを見いだした。これを今では光子(または光量子)と呼ぶ。
また、1923(大正12)年になるとラザフォードが「電子などの粒子にも波の性質がある」と言い出した。この時、初めて「波と粒子の二面性」が提案された。
状態の共存
大雑把には、ミクロな世界では、物質は複数の状態を同時に持ち、そして誰かが「観測」した時にはじめて状態が確定される、というものである。
この理論は、シュレディンガーのシュレディンガーの猫などで語られる。
外から中の見えない箱に猫を入れる。この箱には「核分裂する原子」「核分裂を検出する装置」「検出器が動くと働く毒ガス発生装置」も同時に入っている。さて、このうち「核分裂をする原子」は幾らかの時間後に核分裂をするが、それは箱の外からは分からない。従って、箱を開ける直前までは、猫が生きているかどうか分からない。これは誰でも分かる。
これを量子論では、生きた猫と死んだ猫が同時に混ざった状態で存在(Dead and Alive)し、箱を開けた瞬間に一方の猫が実在化し他方が消滅する(Dead or Alive)と説明する。これが状態の共存である。
この時、どちらが存在するかは確率的に予測することはできるが、確実な予測は不可能である。量子論においては、観測する行為自体が状態に影響を及ぼすということである。