MVP ARCHIVE SCIENCE | PHYSICS : Quantum Mechanics / 量子力学

量子力学

20世紀初頭、原子や電子のような極めて小さな世界を詳しく調べると、ニュートン力学 や古典的な 電磁気学 だけでは説明できない現象が次々と発見された。

その新しい世界を理解するために築かれた理論が、量子力学（ Quantum Mechanics ）である。
量子力学 は、ミクロの世界における物質とエネルギーの振る舞いを説明する現代物理学の基礎理論であり、今日の科学技術の根幹を支えている。

エネルギーは連続ではない

1900年、マックス・プランクは、エネルギーは無限に細かく分けられるのではなく、「 量子（ Quantum ）」と呼ばれる最小単位でやり取りされるという考えを提案した。

この発想は、それまでの物理学の常識を大きく変える第一歩となった。
その後、アインシュタイン は光も粒子の性質を持つことを示し、ボーア は原子模型を発表するなど、新しい理論が次々と発展していった。

粒子と波の二重性

電子や光は、粒子としての性質と波としての性質の両方を持つ。
この波動・粒子二重性は、量子力学 を象徴する特徴の一つである。
どちらか一方ではなく、実験方法によって異なる性質が現れることが、多くの実験で確認されている。

確率で記述される世界

古典力学では、初期条件が分かれば未来の運動を計算できる。
一方、量子力学 では、粒子の状態は確率によって記述される。
観測によって得られる結果は予測できるが、一つ一つの結果を決定論的に知ることはできない。
この確率的な記述は、現在の 量子力学 の基本的な考え方となっている。

現代社会を支える理論

量子力学 は、決して研究室だけの理論ではない。
半導体、レーザー、LED、太陽電池、MRI、電子顕微鏡、コンピューター、スマートフォンなど、現代社会を支える多くの技術は 量子力学 の理解によって実現している。
さらに近年では、量子コンピューターや量子通信など、新しい技術への応用も進められている。

Basic Information

発展した時代 : 1900年代初頭～
主な研究者 :
・マックス・プランク
・アルベルト・アインシュタイン
・ニールス・ボーア
・ルイ・ド・ブロイ
・ヴェルナー・ハイゼンベルク
・エルヴィン・シュレーディンガー
・ポール・ディラック
概要 :
・原子や電子などミクロの世界を説明する理論
・エネルギーは量子としてやり取りされる
・粒子と波の両方の性質を持つ
・状態は確率によって記述される
主な応用 :
・半導体
・コンピューター
・スマートフォン
・レーザー
・LED
・太陽電池
・MRI
・電子顕微鏡
・量子コンピューター
その後につながるテーマ :
・Wave–Particle Duality（波動・粒子二重性）
・Uncertainty Principle（不確定性原理）
・Schrödinger Equation（シュレーディンガー方程式）
・Quantum Tunneling（量子トンネル効果）
・Quantum Entanglement（量子もつれ）
・Superconductivity（超電導）

Archive Point

ニュートン力学 は身近な世界を、特殊相対性理論 と 一般相対性理論 は高速運動や重力を説明した。

量子力学 は、そのさらに奥にあるミクロの世界の法則を明らかにした。
原子や電子の振る舞いを理解したことで、人類は物質の本質へ迫るだけでなく、半導体や情報通信技術など、現代文明を支える数多くの技術を生み出した。

量子力学 は、現代物理学のもう一つの柱として、宇宙から素粒子までを理解するために欠かせない理論である。