【読書の記録】世界一美しい実験とは、「 」である。
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こんばんは。今日もお疲れ様です。
いつもお越しくださって、どうもありがとうございます✧꙳⋆꙳⋆
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実は、一昨日をもって、❝note❞を始めて1年になりました (*'▽')ﾊﾟﾁﾊﾟﾁ
365日、続けられたことに、感謝しかありません。
6月ごろから今の運用をするように変更したので、実質3ヶ月ですけど。
それでも大切な、9ヶ月であり、3ヶ月であり、12か月です。
記事を拝見しながら勉強させていただいている方、コメントやいいね等、励ましてくださる方、本当にありがとうございます。
これからも、頑張りすぎずに、緩やかに続けられたらと思っていますので、どうぞよろしくお願い致します♬
✅おすすめ書籍『THE UNIVERSE IN A BOX 』
さてさて、本日のテーマですが、ついこないだ読んだ書籍に、面白かったのがあったので、ご紹介まで。
結構ややこしいテーマでありながら、科学者の思考に、断片的にでも想像しながら、想いを馳せることができる構成となっています。
■ アインシュタインの理論が、亡くなってからもひっぱりだこなのは、何故？
■ 仮説や実験の確からしさは、誰がどうやって証明するのか？
■ 理論がくつがえされる瞬間って、科学というより、あらゆる力学の相乗効果なんじゃない？
などなど・・・
難しい論理は、正直よくわからない文系脳の私ですが、文化的背景や周辺知識などもふまえてみると、科学者に少し、親近感を覚えられるかと思います。
宇宙のことは、ときどきは、知ろうと努力するけど、やっぱり難しいんです。ブラックホームって、どこに繋がってるのか、とか。
途中であきらめる。 (*'▽')
なんにせよ、このあたりのことは、❝note❞やビジネスの世界でも、応用できる思想が沢山あると思うので、そんな視点で読んでみてはいかがでしょうか？
❝note❞で収益化したい人、有料記事を読みすぎて、一風変わったノウハウが欲しい方など、必見です。
✅余談すぎる、気になることまとめ
あとは、ひたすら脱線して、非科学者の私が気になったこと。
どちらかというと、私の興味に偏った、ただの記録です。
素粒子は、粒であり波であり、同時に2つ以上の場所に存在できる
世界一美しい実験『2重スリット実験』
あなたが観測するまで、生きてもいるし、死んでもいる「シュレディンガーの猫」
全然科学的じゃないけど、科学者たちのお気に入りの数式「ベイズの定理」
マトリックスとか、MAGIとか、ラプラスとか。
それでは、1つずつ、順番に説明していきたいと思います。
A. 素粒子は、粒子であり波であり、同時に2つ以上の場所に存在できる
まず、素粒子は、粒子・波という2つの存在の仕方をとります。
①波は空間を伝わる現象で、回折や干渉を起こすことができる
②粒子は空間中に存在する実体で、存在を数えられる
素粒子には、電子、クォーク、ニュートリノなどがあって、これらの組み合わせによって、原子、分子、そして私たちが普段目にするすべての物質ができる。
今のところ、素粒子は17種類（18種類）ある。
素粒子は、量子のひとつ。
「量子」は、物質の最小単位である素粒子のほか、光、エネルギーなどの最小単位も扱う。いずれの量子でも、粒子・波の性質をもっている。
個人的驚いたこと① ↓↓
量子は、波の状態にあるときは目に見えない「物質波」として空間に広がり、人間が観測したとたんに波としての性質を消し、目に見える「粒子」となって姿を現します。
量子って、人間の目線を気にする？
量子に、意思がある？
であれば、量子1つ1つが心をもってたりする？
意味不明だという方は、ぜひ続きを。
B. 世界一美しい実験『2重スリット実験』
二重スリット実験は、量子力学の世界で最も有名な実験の一つといわれており、粒子の持つ波動性を鮮やかに示した実験です。
(※)2002年に英国物理学会（Institute of Physics: IOP）の会員誌である Physics World誌の読者による投票で、「最も美しい実験」に選出
実験方法は、非常にシンプルです。
光源： 電子や光子などの粒子を一つずつ発射
二重スリット： 発射された粒子は、二つの細いスリットを通過
スクリーン： スリットを通過した粒子は、スクリーンに到達
そのスクリーンの様子がこちら（左）
粒子は直線で進行するから、「2本線」ができるはずなのに、「縞模様」が現れたのです。
縞模様は本来、波が干渉したときに発生するのに？（右）
もっとも驚くべきなのが、「縞模様の点々」だってこと。
どっちなの・・・・・？
なんでこうなるのか、いまだに判明していないそうです。
さらにさらに、この実験には続きがあります。
粒子の粒が、どちらのスリットを通ったのか、観測する実験をした科学者がいます。その記録がこちら。
さきほどと条件は同様にも関わらず、観測すると、縞模様が消失したのです。つまり、電子に粒子の振る舞いが見られたということです。
粒子がどちらのスリットを通ったか、人間が観測しているという条件だけで、電子は粒子らしく振る舞うようになり、観測を中止すると、再度縞模様が現れます。
不思議・・・・・・
解釈は色々とあるし、議論がいまだに続いているそうです。
↓ 画像を使用させていただいた記事です。
C. あなたが観測するまで、生きてもいるし、死んでもいる「シュレディンガーの猫」
光は粒なのか、波なのか、という議論は、何世代にも渡って議題にあがって、多種多様な理論が唱えられていましたが、上述の『2重スリット実験』が行われる前には、どのような理論が主流だったかというと、アインシュタインの、「光は粒であり、波のようにただよっている」という説が支持されていました。これは、『光量子仮説』といわれます。
この考え方は、「粒である」という理論も、「波である」という理論も、否定をすることなく、画期的ながら、多数の支持を獲得することとなります。
アインシュタインは、内向的なこどもだったらしく、学校では、どんなに簡単な問題を先生に指されても、考え込んでしまうこどもだったらしいです。
こうして、『光量子仮説』は、ノーベル物理学賞を受賞し、「光は粒であり、波である」ということが明らかになったのです。光の最小単位は「光子」と呼ばれます。
その後、ブロイという科学者が、光だけではなく、電子なども、「粒であり波である」といういう性質をもつと発表、量子力学の基礎が築かれます。
それから、量子の正体を明らかにしようと、『2重スリット実験』が行われます。
「量子は粒子であるし、波でもある」という知識をもって、『2重スリット実験』の記録をみると、やや見え方が変わりそうですよね。
しかしながら、なぜ量子の粒1つ1つが、同じ条件にも関わらず、右を通ったり、左を通ったり、均一に縞模様や2本線になってスクリーンへ到達するのか、いまだに分かっていないのです。
ただ、「縞模様の転々」って、普通じゃみれない現象だから、芸術的だと評されたことは、納得できるような、できないような。
これに対して、ボルンという科学者が、『確率の波』という理論を唱えます。これは、量子がスクリーンに到達するまでは、「量子は、ここに存在するかもしれないし、そっちに存在するかもしれない」という、「確率の波」があちらこちらに漂っている、という考え方です。
さらに、ボーアという科学者が、「スクリーンに到達した粒が観測された瞬間に、確率の波が消失し、量子の位置が1か所に確定する」＝重ね合わせの状態だった可能性の世界が、1つに確定されるという理論を唱えます。
彼らの理論は、「観測する前までは、『可能性の波』だけが漂っており、実際の量子はどこにも存在しないし、属さない」という考え方で、強引すぎるとも思われますが、ボーアは、このことについて、「観測された世界について辻褄があう説明ができれば、観測前のことはどうでもいい、それが物理学なのだから。」という、開き直りのような、「コペンハーゲン解釈」を唱えます。
「シュレディンガーの猫」は、「可能性の波」に関する思考実験です。
アインシュタインが、「コペンハーゲン解釈」に異議を唱えて、シュレディンガーへ飛ばした文章となります。
■実験の内容
密閉された箱： 猫を1匹、放射性物質、ガイガーカウンター、青酸ガス発生装置と一緒に箱に入れます。
放射性物質の崩壊： 放射性物質は一定の確率で崩壊します。
ガイガーカウンターの反応： 放射性物質が崩壊すると、ガイガーカウンターが反応し、ハンマーがガラスアンプルを割ります。
青酸ガスの発生： ガラスアンプルの中には青酸ガスが入っており、割れると猫は死にます。
■量子力学の視点
量子力学では、粒子は観測されるまで、すべての状態が同時に存在するという重ね合わせの状態にあるとされています。この実験では、放射性物質は崩壊した状態と崩壊していない状態の重ね合わせの状態にあります。
つまり、箱の中の猫は、生きている状態と死んでいる状態の重ね合わせの状態にある、ということになります。しかし、箱を開けて猫を観測した瞬間、猫はどちらかの状態に確定します。
一見、人間が観測していようが、いなかろうが、猫の運命はとっくに決定していそうですが、量子力学の世界では、観測によって運命が確定されるのです。
だからこのとき、過去、現在、未来における決定された観測結果は、同時に存在するとも考えられます。
なお、粒波議論は、現代でも続いており、ボームの「波乗り理論」などがあります。これは、量子は粒子だ、粒子のまわりに波が出ていて、波に乗って進んでいる、という理論です。
D. 科学的じゃないけど、科学者たちのお気に入りの数式「ベイズの定理」
ここまで、量子をめぐる議論を色々とお伝えしましたが、思うことは、1つの反証が、過去の仮説をくつがえすことがある、ということです。
どんなに確からしい方程式でも、1つの不一致があったら、確かじゃない。
世の中は、どっちかというと、演繹法が基本となっていて、帰納法によって、ゲームチェンジされているような印象です。
『ベイズの定理』は、統計学や確率論の世界でよく見られる数式で、いかに確率が、与えられる情報に左右されて変化するかを表しています。
下図の例だと、何の情報もないときのBの確率と、Aが起こったという条件のもとでのBの確率が、変化していることが分かります。
個々人の知識や捉え方、新しい情報によって、確率はつねに変化するものです。確率というのが、過去で起こった現象の妥当性、現在に対する推論、未来の予測、期待値とも言い換えられそうです。
『ベイズの定理』が、研究者たちの、不確定さに対する見解、わからなさを、数学的に表現しているといえます。
観測された瞬間、1つに世界が確定するということです。
✅まとめ
量子力学は、最小単位の世界を研究する学問ですが、色々な捉え方ができるし、科学者や哲学者から、ヒトのあり方を考えたり、人生の指針を見つけたりもできるのではないでしょうか。
面白いので、おすすめしたい1冊です。
あ、それから、
最後にいうのもなんですが、「シュレディンガー」って、つい口に出したくなる言葉、言葉の余韻が及ぼす力ってすごい。
瞬間的に、私たちはそうやって見極めてるんですよね。
❝note❞で読まれるコツかも。
✅書籍の概要
『THE UNIVERSE IN A BOX 箱の中の宇宙 あたらしい宇宙１３８億年の歴史』
アンドリュー・ポンチェン (著), 竹内薫 (翻訳)
発売日： 2024/7/17
ページ数： 416P
☆売れてます、重版続々！！☆
☆ウォール・ストリート・ジャーナル、BBC、タイムズなど絶賛！☆
「この読後の爽快感は何だろう。宇宙の謎について、科学者はどのように解決しようとしているのか、面白いように理解できる。この高度な内容をほぼ予備知識無しでもスラスラ読めるのは奇跡だ」西成活裕氏（東京大学教授）
「この世はシミュレーション？−−コンピュータという箱の中に模擬宇宙を精密に創った研究者だからこそ語れる、生々しい最新宇宙観」橋本幸士（理論物理学者・京都大学教授）
ダークマター、銀河の誕生、ブラックホール、マルチバース… 。宇宙はあまりにも広大で、最新の理論や重力波望遠鏡による観察だけでは、そのすべてを見通すことはできない。「宇宙の様々な現象がどのように相互に作用することで 銀河系や太陽系や、ひいては地球上の生命を生み出すに至ったのか」という大きな問いへのアプローチが欠けているのだ。 そこに現れた救世主が「シミュレーション」だ。
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