量子論.pdf
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- 1. 不思議な世界へおいでませ？ 量子論の世界 hiro.
- 2. Introduction hiro. よろしくお願いします！ ・東京大学工学部航空宇宙工学科卒 ・国家公務員技術系 ・小学生の時は数学者になりたかった が、中学生の時に量子論の本を読んで 理論物理学者を目指したいと思う（後 に挫折💦） ・好きな動物…ペンギン
- 3. Introduction 量子論…ミクロの世界における物質観。ミクロの世界では、 奇妙で常識外れのことが起こっている！ このミクロで起こる世界の性質を利用して、物性物理、半導 体技術、量子コンピュータ、量子暗号技術等、応用例は 様々！ ミクロの世界では何が起こっているのか？ ※恐らく予報士と最も遠い物理が量子輪や相対性 理論ですが、宜しければお付き合いください。
- 4. Table of Contents １．「量子」とは何か ２．実は違う？！電子軌道の本当の姿 ３．シュレディンガーの猫と多世界解釈 ４．量子論の応用例 世界の本当の姿を求めて…
- 5. Table of Contents １．「量子」とは何か ２．実は違う？！電子軌道の本当の姿 ３．シュレディンガーの猫と多世界解釈 ４．量子論の応用例 ミクロの世界ではとびとびの値を取る！
- 6. 高校物理の復習 光電効果と光量子仮説…アインシュタインが発見、提唱。 紫外線を当てると箔検電器の箔が閉じる。負電荷（電子）が 金属板から飛び出した。このように、光のエネルギーを当て ると物質内から電子が飛び出す現象を光電効果と言う。 光電効果を受けて、理論的に説明したのが光量子仮説。 物質が振動数νの光を放射、吸収する場合、そのエネルギ― は連続でなくプランク定数hを用いてhνの整数倍を取るとい う説。 整数倍を取るということは、光は波でありながら粒子だった ことを示している。（光は光量子（光子）だった）
- 7. 「量子」とは何か 「量子」…世界の最小単位が決まってい るという考え方のこと！ 世界は連続に見えるけれども、実はミク ロに見ると不連続である。プランク距離、 プランク時間、プランク質量、などが決 まっている！！ つまり、ミクロの世界では「とびとび」の値を取ると いうこと。光量子仮説では、光は粒としての性質と波 としての性質を併せ持つという二重性をもつことが明 らかになった。
- 8. Table of Contents １．「量子」とは何か ２．実は違う？！電子軌道の本当の姿 ３．シュレディンガーの猫と多世界解釈 ４．量子論の応用例 電子は「雲」として原子の周りを回っている？！
- 9. 量子論誕生以前の原子核モデル 原子核には、陽子と中性子が存在して、その まわりを電子が回っている、この「ラザフォ ードの原子モデル」が一般人における原子の 構造の理解だと思います。 →実はこれ、厳密には違うんです！！！ →電子が回っているなら、電磁波を放出しな がらエネルギーを失って原子核に吸い込まれ ていきません？
- 10. 量子論誕生以後の原子核モデル 電子も、光と同様に粒子でありながら波とし て存在しています。 →水素原子の線スペクトル（パルマ―系列） を見ると、「とびとび」の値を取っている。 →波として存在出来る振動数を電子が持って いる時の軌道半径でのみ、電子が軌道で存在 できると仮定しましょう。 という考え方。電子は、別の軌道に移る時電 磁波を放出したり吸収したりする。 →軌道半径も「とびとび」の値を取る。
- 11. シュレディンガー方程式 シュレディンガー方程式を解けば、物質がど んな形を持ち、その波が時間の経過とともに どのように伝わっていくのかが計算できる。 →電子の波は様々な場所に広がって存在して いていることが求まる。 →電子は、何処の空間で発見できるのか、 「確率」で決まる。 →「波動関数の確率解釈」 →我々が見てない時にだけ、電子は波のよう に広がっている。 →観測すると電子の波は収縮してしまう。
- 12. シュレディンガー方程式 電子雲…電子は雲のように薄まって存在して いる。「観測」すると1箇所に「収縮」する。 シュレディンガー方程式を解くと、電子軌道 がどのように広がっているかを求めることが 出来る。p軌道やd軌道が左図のように広がっ ていることが分かる。 →電子の位置は、まるでサイコロを振ってそ の目に応じて電子の発見場所が決まるように、 確率的に決定される。
- 13. コペンハーゲン解釈と不確定性原理 コペンハーゲン解釈…「波の収縮」と「確率 解釈」を2本の柱として、私たちに見られる 前の電子と見られた後の電子の様子を理解し ようとするこの解釈方法を、「コペンハーゲ ン解釈」と呼びます。 不確定性原理…「ある物質に関する「位置」 と「運動量」を測定するとき、両者を同時に 一つの値に確定することは出来ず、避けられ ない不確かさが残る」という原理を「不確定 性原理」と呼びます。
- 14. 量子論が明らかにした物質観・自然観 古典物理学…「粒」と「波」は矛盾する概念 であると考える。 量子論…私たちが見てない時は波のような振 る舞いをし、私たちが見たとたんに粒として 発見される。 →相補性原理 不確定性原理の言う「位置を決めると運動量 が決まらず、運動量を決めると位置が決まら ない」というのも相補性原理。 古代中国の陰陽思想を 象徴する「太極図」
- 15. Table of Contents １．「量子」とは何か ２．実は違う？！電子軌道の本当の姿 ３．シュレディンガーの猫と多世界解釈 ４．量子論の応用例 量子論における不思議な解釈！！！
- 16. シュレディンガーの猫 シュレディンガーの猫…パラドックス。 鉄の箱の中に１時間のうちに50%の確率 で放射性崩壊する放射性物質、放射線の 検出装置、検出装置に連動した毒ガス発 生装置を入れ、また、その中には生きた 猫を入れる。 そして箱を閉めて1時間経ったら、猫は どうなっているだろうか。 量子論的な解釈をすると、観測していな い時は生きている状態と死んでいる状態 が重なっていると表現され、
- 17. シュレディンガーの猫 観測した瞬間に波動関数の波が収縮して 猫の状態が決定する筈だ、ということに なるが… 常識的に考えて、「猫が死んだ状態と生 きた状態が重なっている」というのはお かしい。量子論はミクロな世界でのみ起 こるものであるという主張だが、ミクロ の集合体がマクロである以上、解釈に限 界があるのではないか →そこで生まれたのが、多世界解釈。
- 18. 多世界解釈 多世界解釈…コペンハーゲン解釈におけ る「波の収縮」は数学的に説明できない ものであることが証明された。 →そもそも「波の収縮」は起きずに、広 がったままである。代わりに、物質が存 在する世界と、存在しない世界に、「世 界が枝分かれする」と考える。パラレル ワールド。並行宇宙。 その存在を証明は出来ないが、量子論の 現象を無理な仮定なく説明することが出 来る。
- 19. シュレディンガーの猫と多世界解釈 シュレディンガーの猫のパラドックスに おいても、多世界解釈を用いると矛盾な く説明できる。 多世界解釈では、観測者が気付かないう ちに「猫が生きている世界」と「猫が死 んでいる世界」に世界が分岐するのだと 考えれば、マクロとミクロの境界などは 考える必要がない。 →本当にそうなのかという疑問は残るが、 それを確かめる方法はない。
- 20. Table of Contents １．「量子」とは何か ２．実は違う？！電子軌道の本当の姿 ３．シュレディンガーの猫と多世界解釈 ４．量子論の応用例 ざっくり説明！応用例多数！！！
- 21. 化学と物理の橋渡しをした量子論 パウリの排他律…「１つの原子の中で、 四つの量子数（主量子数・方位量子数・ 磁気量子数・スピン量子数）が皆同じに なる電子は一個しか存在できない」 →中学高校で一番目の軌道には２個、二 番目の軌道には８個…などと機械的に暗 記した電子の配置は、量子論により決ま っていた。形状は、シュレディンガー方 程式を解くことにより確率分布で表され る。 →簡易化されて教えられているが、ラザ フォードの原子モデルは、間違いである。
- 22. 半導体物理（物性物理学）と量子論 固体は、導体・絶縁体・半導体の3種類に 分類できる。固体の中の電子の状態を「量 子数」の原理やパウリの排他律に照らして 考えると、結晶構造になっている原子の中 では、電子のエネルギーは「エネルギーバ ンド」と呼ばれる範囲の値だけを取ること が分かった。固体が電流を通すかどうかは、 バンドギャップの広さによって決定されて いる。 →現在の私たちの暮らしを支えているのは、 半導体部品を生み出した量子論である。
- 23. トンネル効果 トンネル効果…ミクロの粒子が通常は超え ることの出来ないエネルギーの壁を時々通 り抜けてしまうという現象。シュレディン ガー方程式で井戸型ポテンシャルモデルな どを解くことにより導出され、実際にも観 測されている。 トンネル効果は、核分裂反応や核融合反応 においても見ることが出来るし、半導体部 品の原理としても利用されたり、金属表面 の原子の配列を見ることが出来る走査型ト ンネル顕微鏡に応用されている。
- 24. ボース・アインシュタイン凝縮と超流動 ボース・アインシュタイン凝縮…パウリ の排他律に従わない「ボース粒子」の集 団を極低温にすると、無数のボース粒子 が最低のエネルギー状態に集まってきて 粒子が重なり合う現象。 超流動…ボース・アインシュタイン凝縮 により粘性がゼロになっているので、コ ップの壁面を登って外に出てしまう。量 子論的な現象がマクロな世界にも表れた 例。
- 25. 量子コンピュータ 量子コンピュータ…量子論の重ね合わせの原理 を用いることで、従来のコンピュータには出来 ない並行処理を行うことが可能だとされている。 「０」と「１」が重ね合わさった状態を物理的 に表現し、一度に大量の情報処理を行うことを 可能にする。 →現在では、重ね合わせ状態が維持できなくな る「デコヒーレンス」が起こっても誤り訂正出 来るフォールトトレラントで実用可能なコンピ ュータの開発が行われている。
- 26. 量子暗号通信 素因数分解を利用したRSA暗号が解読されてし まう危険性が出てきたため、対抗策として考え られたのが「量子暗号」。 量子暗号…ミクロの世界の物質が「観測される ことによって状態が変わってしまう」ことを利 用したもの。量子暗号の情報は「重ね合わせ」 の状態で行われるが、もし誰かがその情報を盗 み見したら、その行為によって重ね合わせの状 態が解消されてしまう。 →究極のセキュリティシステム。
- 27. CREDITS: This presentation template was created by Slidesgo, including icons by Flaticon, infographics & images by Freepik Thank you for listening!