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量子力学

サイエンス

量子力学

りょうしりきがく

自然科学】【物理】従来の古典力学では説明できない素粒子原子分子などの微視的な系に適用される力学決定論的な古典力学と違い確率論的な理論である。量子力学の世界における現象はしばしば我々の直感に反し、難解さ不思議さを生む。

量子力学の特徴

概要にあるとおり粒子の位置や運動量など諸々の物理量の観測値の確率分布に関する確率論的な理論である。その確率を与えるために複素数値を取りうる確率振幅という概念も導入するのが特徴的である。

ある時刻における系の状態を表す確率振幅のことを波動関数とよぶ。波動関数および観測量を表現するオブザーバブルと呼ばれる演算子により観測値の確率分布は与えられる。

時間発展

時間発展方程式に関しては初期に提案されたものとしてシュレディンガーらによる波動力学およびハイゼンベルグらによる行列力学の二つの形式がある。後に、この2つの形式はディラックによって等価であることが示された。

観測値の時間発展が状態の時間発展によるとして状態を表す波動関数の時間発展を表したのがシュレディンガー方程式である。一方、観測値の時間発展をオブザーバブルの時間発展に由来するとし、オブザーバブルの時間発展を表したのがハイゼンベルク方程式である。

誕生までの歴史

エネルギーが連続ではなく、飛び飛びの値をとるという考え方から量子力学は始まった。黒体輻射スペクトルといって、電球のフィラメントや溶けた鉄のように高い温度の物が発する光の色を説明する方法として、プランクが光が飛び飛びのエネルギーを持つという仮説を考えた(エネルギー量子仮説:1900年発表)。その少し後に、アインシュタインが光を金属にあてると電子が飛び出す光電効果の説明に、光のかたまりという考え方を使い「光電子」と呼んだ。これは今で言う「光子」のことである。その後、ボーアが原子の構造として原子核を回る電子があって、電子の軌道が飛び飛びの値をとるという説を発表。その他さまざまな寄与があるがこの時代の理論は前期量子論と呼ばれる。

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