2009年02月19日
権平 エステちゃんの気になっていたこと調べてみたりするブログ量子力学
この例えは大変興味深いですね。
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量子力学において粒子は様々な状態が「重なりあった状態」で存在しうる。この「重なりあった状態」は、観測機器によって粒子を観測する事で、いずれかの状態に収縮すると考える。例えば原子のスピンは上向きの状態と下向きの状態が重なりあった状態で存在しうる。人間が観測機器によって粒子を観測すると、スピンは上向きか下向きのいずれかの状態に収縮する。また、シュレーディンガー方程式は原子の位置を、一定の範囲に広がった確率分布(波動関数)として与えるが、観測されると、ある位置にあることが確定する。
「シュレディンガーの猫」は粒子のようなミクロの系の重ね合わせが、猫のようなマクロの系の重ね合わせを導きうる事を指摘した。まず、蓋のある箱を用意し、この中に猫を一匹入れる。箱の中には猫の他に、放射性物質のラジウム一定量、ガイガーカウンター、青酸ガスの発生装置を入れておく。もし箱の中にあるラジウムがアルファ粒子を出すと、これを検出器が感知し、その先についた青酸ガスの発生装置が作動し、猫は死ぬ。しかし、アルファ粒子が出なければ検出器は作動せず、猫は生き残る。
まず、ラジウムに起こるアルファ崩壊が量子力学によって確率解釈されなければならないことを理解する必要がある。原子核は陽子と中性子によって構成されている。正電荷をもった陽子同士は斥力によって反発するはずなのに、正電荷をもった陽子と電荷のない中性子が原子核スケールの範囲にとどまっていられるのは、核力によって引き合っているからである。原子量の小さい鉄などの原子核は、核力が支配的であるために安定しているが、原子量の大きなラジウムのような原子は、原子核のサイズが大きくなることによって核力よりも静電気力の効果が現れてくる。さて、量子力学では原子核スケールの範囲にある陽子や中性子の位置に不確定性が現れ、それらの位置は確率的にのみ決定することになる。このため、陽子や中性子は原子核の中で一定位置にあるとは考えない。しかし、陽子や中性子の位置関係によっては陽子間の斥力が核力を上回ってしまうと原子核は崩壊する。このように量子力学的な揺らぎによって引き起こされる現象がアルファ崩壊であり、ラジウムのような放射性核種の原子核崩壊は量子力学的に確率解釈すべき現象である。
この実験において、ある時間内にラジウムがアルファ粒子を出すかどうかは基礎方程式(シュレーディンガー方程式の解)によって確率のみが計算できる、量子力学における確率解釈によれば、現象を観測するまでは原子核がひとつ以上崩壊した状態と原子核が全く崩壊していない状態の重ね合わせ状態で存在する。
この系において、猫の生死はアルファ粒子が出たかどうかのみにより決定すると仮定するのだから、例えば1時間で箱に入れた量のラジウムが崩壊してからアルファ粒子が放出される確率が50%だとすれば、この箱の蓋を閉めて1時間放置したら、人間が観測するまでは猫が生きている状態と死んでいる状態が1:1で重なりあっていると解釈しなければならない。
われわれは経験上、猫が生きている状態と猫が死んでいる状態という二つの状態を認識することができるが、このような重なりあった状態を認識することはない。なお、現在ではシュレーディンガーの猫のように(猫ではないが)、巨視的に量子力学的現象が観測されたと報告されることがある。
引用『ウィキペディア(Wikipedia)』
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