【未来は決まっている?】ハイゼンベルクの不確定性原理とは ~素粒子の不思議~

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私たちは現在を生きていますが、未来は決まっていると思いますか?

この宇宙は、過去も未来も既に決まっていて、その中をゲームの中のプレイヤーのように動かされ生きている…という説もあります。

ここでは、未来を決して予測できないという説を持つハイゼンベルクの「不確定性原理」についてお伝えします。



ハイゼンベルクの思考実験

この世に存在するすべての物質にある原子の中心には極めて小さな原子核があり、その周りを1個もしくはそれ以上の電子がとてつもない速さで回っています。

構造が最も単純な水素原子の場合、電子の速度は秒速2000㎞です。

このように飛び続ける電子は、どれほど精密な観測機器を使ってもその位置と運動量を同時に観測する事は出来ません。

その事を確かめる為に、ドイツの物理学者のヴェルナー・ハイゼンベルクは1920年代に思考実験を行いました。

観察者が光学顕微鏡で電子を観察しようとするとき、光子が電子に衝突して跳ね返り、顕微鏡の鏡胴を通って観察者の目に届く事で、その位置や運動量を測定出来ます。

電子にぶつかる光の波長が短ければ短いほど、電子の位置は正確に測定出来ますが、波長の短い光はエネルギーが高い為、その光が電子に当たると電子は跳ね飛んでしまい、その運動量を測定する事が出来なくなるのです。

逆に波長の長い光を当てると、エネルギーが低い為、電子は跳ね飛ばす運動量は測定出来ますが、その位置の精密度は落ちます。

このように、粒子の位置と運動量を同時に求める事は原理的に不可能だとする見解は「不確定性原理」と呼ばれています。

粒子は波でもある

粒子の位置と運動量は同時に観測出来ないだけではありません。

粒子は波でもある為、そもそも「ある位置のある運動量」という状態が存在しないのです。

これはまた、原子の中を飛び回っている電子には定まった軌道が存在しない事でもあります。

というのも、電子の軌道を描くには、位置と運動量の両方が同時に必要になるからです。

現在が不確定なので未来も必然的に不確定となる

量子力学以前の古典力学は、現在を知ればそこから未来を予測できるとしていました。

しかし、ハイゼンベルクは「そもそも『現在』を知る事が原理的に出来ないのであるなら、どうやったところで未来は必然的に予測不可能」なのであると言葉を残したといいます。

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