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量子論はなぜわかりにくいのか【本紹介】「波が粒子のように振る舞う」

記事の内容

奇妙な魅力にあふれている?量子論。たしかに、量子の世界を知るほど、日常の感覚からは不思議すぎる世界のように見えてきます。だからこそ、一般の人の間でも、関心が持たれやすい分野でしょう。

 

私自身、量子力学を数式レベルで勉強してみて、そのうえでやはり不思議は残りました。たとえば、シュレディンガーの波動関数をどう解釈すればいいのか、です。計算さえできて応用できればいいという態度に収まらない人には、量子の世界のモヤモヤが残ります。

 

今回は、そんな不思議さを整理してくれるいい本を紹介します。

吉田伸夫の『量子論はなぜわかりにくいのか』という本です。

 

一般書のレベルで、量子論をかなり深いところまで解説してくれています。著者は、量子論を真に理解するためには、「場の量子論」が必要だと述べます。そして、その視点からは、量子論のよくあるモヤモヤは解消されるはずだと強調します。

 

興味ある人は、ぜひこの記事で本書の雰囲気に触れてみてほしい。本書から、場の量子論の基礎と著者のメインの意見をまとめてみます。

 

 

 

 

 

なんで量子論は分かりにくいの?

 

物理現象の根底にある波動に、リアリティある記述がなされないからわかりにくい。

 

 

「量子論が波動に関する理論であるという前提の下に、現実に存在する波動をイメージし、この波動が世界の秩序を実現していると考えると、量子論がいかなる意味を持つかが明快になるだろう。」

 

「粒子であると同時に波である」

「位置や運動量が確定しない」

ではなく、

「波が粒子のように振る舞う」

「位置や運動量には拡がりがある」

のほうが分かりやすい表現になる。

 

秩序の根底には波動がある。たとえば、結晶構造だ。結晶構造を生み出す背景には、定在波が関与している。定在波とは、干渉によって打ち消されずに残る共鳴パターンだ。この波の形は、幾何学的な形状になり、パターンがある。これが、量子論に現れる整数に対応していく。

 

 

 

場の量子論を前提にイメージせよ

 

場の量子論からイメージすれば、量子論的な現象は分かりやすくなる。これが著者の主な主張だ。

 

シュレディンガーの波動関数は、粒子の波動関数と呼んでいい。一方、場の波動関数は波の波動関数と呼んでいい。場についての状態を波、つまり波動関数で表現する。

 

場とは、空間の至るところに小さなバネが存在するものとしてイメージされる。バネそのものが量子論的にゆらぎ、波のようにぼんやりとしている。この微小な単位のゆらぎと、場そのもののゆらぎとという2重のゆらぎがある。

 

粒子の量子論における最大の謎は、波動性の起源だ。シュレディンガーの波動関数は単なる確率振幅であり、物理的な実在ではない。

 

(ここは実際に、シュレディンガーの波動関数を勉強すると感じるところだろう。この世の仕組みに興味があるものにとって、計算さえできればいいという実用主義的な態度では物足りない。かといって、むりに解釈しようとすれば、曖昧な哲学的議論にいってしまう。それはそれで楽しいのだが。本書の著者は、場の量子論からイメージすれば、多くの哲学的な議論は不要になると述べている)

 

では、場を実在とすればいい。場のエネルギー量子は、伝わっていく波の形をしている。この波が実在しているとする。粒子とみなしていたものの正体は、エネルギー量子という波だ。だから、不確定性関係もイメージしやすい。

 

「粒子のように見えるものは、実は場に生じたエネルギー量子というリアルな波であり、他の波と干渉することで定在波を形成したり明暗の縞模様を生み出したりする。」

 

「量子論を応用する際にリアルな波動のイメージを持つことのの重要性を強調したが、それは、粒子の量子論が、「場のリアルな波動によって引き起こされる現象を近似したもの」だと考えられるからである。」

 

くりかえす。

粒子のように見えたものは、微小な波が重なって形成されたエネルギー量子だ。

 

場の波動性を、シュレディンガーの波動関数は反映している。

 

(エネルギー量子ってなんやねん、というツッコミはもちろんあるだろう。ここをわかりやすくまとめられなかった。ごめんなさい)

 

 

 

 

場の量子論はイメージできるか?

 

場の量子論から、粒子の量子論をイメージすればいいというけども...

 

この場の量子論がまた難しい。常識からかけ離れている、と著者も言う。

 

「人間は、ネットワークの拡がりを実在の空間だと錯覚していることになる。このネットワーク内部を場の波動が伝わっていくことで、あらゆる物理現象が実現される。物質の構成要素になるような原子は実在せず、波が形作る共鳴パターンが、安定した物質的存在のように見えるだけである。」

 

場の量子論を実在だとみなす立場からは、従来の還元主義的な態度はひっくり返る。この転換は、もっと強調していいはずだと著者は言う。

 

(個人的には、まだ行列力学、シュレディンガーの波動関数までしか数式レベルで経験していない。場の量子論を数式で勉強すれば、イメージできるのだろうか。「場の量子論はなぜ分かりにくいのか」という循環にならないことを祈る)

 

どうすれば、場の波動をリアルにイメージできるだろうか。たぶん、本書を読み込めばだんだんとわかってくるはず。まだ、分かり切れていないところがある。引き続き、本書を読み、この記事を更新していきたい。

 

 

 

 

まとめ

 

本書の最後にまとめがある。そこから、何点か引用する。

 

・量子論で扱われる電子や光子は、場の波動がエネルギー量子を形成して粒子のように振る舞っているものである。「粒子であると同時に波である」といった曖昧な解釈をする必要はない。

 

・位置と運動量の不確定性関係は、電子などの量子論的な対象がもともと波からできており、波としての拡がりがあることの現れである。「粒子であるにもかかわらず、位置と運動量が確定しない」と解釈すると、混乱するだけである。

 

・リアルな波動は、粒子の量子論で用いられる波動関数そのものではない。粒子の波動関数は、あくまで確率振幅を求めるための手段である。しかし、波動関数の振る舞いには、現象の根底にあるリアルな波の性質が反映されている。例えば、トンネル効果における波動関数の減衰は、リアルな波の減衰と同様だと考えてかまわない。

 

だいぶ、量子論にたいするモヤモヤ、つまり矛盾表現、否定表現が解消された気がする。ただし、場の波動性に対するリアルなイメージと、それとシュレディンガーの波動関数との反映関係については、さらに深読みしていきたい。

 

 

 

 

 

 

場の量子論については、この本も精読したい。

 

 

 

 

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