人間が壁を通り抜けられる? 量子力学の不思議な世界

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皆さんは量子力学という物理学の理論をご存じでしょうか。量子力学とは、我々よりもはるかに小さな世界で起きる出来事を記述するための理論です。小さな世界で起こる出来事なんて自分たちにはあまり縁がない、と思う人もいるでしょう。特に理系が苦手な人にとっては、もっとも避けて通りたい分野のひとつかもしれません。しかし、私たちの生活に大いに関係がある理論なのです。

量子力学は「事実は小説より奇なり」を体現するような理論とも言うことができ、とても不思議でとても面白い学問。今回はそんな量子力学の面白い話題を、やさしく楽しくお伝えしたいと思います。

 

量子力学はどんなところで役に立っているの?

 

まずは、量子力学が使われている現場についてお話しします。

上述のように、量子力学は我々よりもはるかに小さい世界での出来事を記述するための理論。具体的には、電子などの状態を書き表すためのものです。電子といえば電気の担い手。つまり量子力学は、電気が物質をどのように流れるかを考えるために必要なのです。例えば、電気を流したり流さなかったりできる半導体などは、まさに量子力学の知識が大活躍する領域です。

量子力学の分野で最近話題なのが量子情報通信。量子力学のある特性をうまく利用すると、誰にも傍受されない完璧な通信が可能なると期待されている通信技術です。

 

電子は見ていないと怠ける?

 

次に、電子というものの量子力学的な性質を見てみます。唐突ですが、大学や高校で講義を受ける時、いつ怠けることができるかについて考えてみましょう。

小さい教室で講義が行われる場合には、先生の目が常に学生を観察しているので、なかなか怠けることができませんよね。しかし大教室ともなれば話は別です。何百人もの学生を常に見ていることなどできませんので、端の方に座っていれば怠けていてもばれにくいもの。(たまたま怠けた瞬間に見つかって怒られる可能性はありますが……)

実は電子も怠け者で、我々に見られていないときには「怠けて」います。ここで言う「見る」とは「観測する」ということを指します。見られていないときに怠けていた電子は、見られた途端に「背筋をピンと張る」のです。電子が怠けるとは、電子が波になるということ。「波? 電子って『粒』ではないの? 」と思う人がいるかもしれません。それは確かにその通りで、電子は我々に見られているときには一点に集まって粒になります。これが、背筋をピンと張っている状態です。一方の波の状態というのは、我々が怠けるときみたいにだらんとして、空間上に広がること。電子は、見られていないときにはだらんとして、波の状態=怠けている状態になっています。

 

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ここで面白いのは、電子が見られたときに、どの一点に集まるかということです。

我々が怠けてだらんとしているとき、急に先生に見られて背筋をピンと張る際には、自分の席から動きませんよね。しかし、電子はどの一点に集まって粒になるのかを示すことはできません。ただし「あそこには30%、ここには40%の確率で集まる」というように確率的に言うことはできます。この確率は波の状態(怠けた状態)の時の波の高さに比例します。波が高いところに集まる確率が高く、波が低いところに集まる確率が低いということです。

電子を見ていないときには、電子がどこに存在するのかは確率的にしか言えないということなのです。これについては、いろいろな科学者が疑問を呈しましたが、実験的には正しいということが分かっています。

 

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量子力学的には、人間が壁をすり抜ける確率もゼロではない!?

 

電子は波の状態の時は、確率は低いながら、壁などをすり抜けてしまうことがあります。これをトンネル効果と呼びます。

人間の体も電子(素粒子)からできているということを考えると、もしも人を構成している電子(素粒子)がすべて壁を通り抜けることができれば、我々は壁をすり抜けることができるのです! しかしその確率は限りなくゼロに近く、物理学では確率が極端に低い現象は起こらないことだと考えるので、実際には起こり得ないと考えられます。

もしも、将来この波の状態を操れるようになったら「通り抜けフープ」も夢ではないのかもしれません。

 

*** いかがでしょうか。

今回お話しした内容は、量子力学に対する一つの解釈です。実は他にもいろいろな解釈があるのですが、どの解釈を支持する立場になろうとも、得られる結果は同じなのです。結局、量子力学をどう解釈していいのか、明確に答えられる人はいません。

リチャード・P・ファインマンという量子力学に多大なる貢献をした物理学者は次のように言ったと言われています。

「量子力学を理解したと言うやつは量子力学を理解していない」

自然界はまだまだ不思議に満ちています。時には、我々の想像の及ばない、しかしすぐそばにある摩訶不思議な世界に思いを馳せてみるのも面白いのではないでしょうか。

 

(参考) Wikipedia|量子力学 哲学的な何か、あと科学とか|2重スリット実験(7) 完結編

 


早稲田大学先進理工学部物理学科所属。横浜サイエンスフロンティア高校卒業。大学では理論物理学を中心に日々勉強に励んでいる。

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