『量子力学』を△で説明してみる無理ゲー （パート２）
ほぼわからない量子力学を
よくわからない△で
説明するという試み パート２
量子の｢重ね合わせ｣
(; ꏿ_ꏿ)きました。量子力学の入門であり門前払い。
(; ꏿ_ꏿ)これが飲み込めないと、先には進めません。
❶まだ決まっていない状態
量子の重ね合わせをすごく簡単に言うと、「量子の世界では、あるものが、まだ『どっちの状態になるか決まっていない状態』がありえる」 ということです。
正式名称は？
→「重ね合わせ」でOK
正式名称は、日本語では「重ね合わせ」または 「重ね合わせの状態」 と言います。 英語では "superposition" （スーパーポジション）です。 どちらも同じ意味で、日常会話でも学術的な場面でも普通に使われるので、「重ね合わせ」で覚えておけば大丈夫 です。( ^o^)ノ
もっと短く言うなら、
「量子は観測されるまで色々な状態が『重なって』存在している」
というとことです。イミフですね。( ^o^)
でも、実験で確かめられていることなので仕方ないです。
普通私たちの世界では、
電気のスイッチは「ON」か「OFF」かのどちらかです。
でも、ミクロの世界（量子の世界）では、量子は観測されるまで、
｢ONでもあり、OFFでもある｣スイッチ
のような状態がありえるんです。
これが「重ね合わせ」の状態です。
粒であり波であるだけでも厄介な奴らが、
同じ場所に重なって存在しちゃってるということです。((( ^o^)
❷観測すると｢重ね合わせ｣が壊れる！？
不思議なのは、この｢重ね合わせ｣の状態は、私たちが｢観測｣すると、パタッとどちらか一つの状態に決まってしまうということです。
量子力学では、この｢観測｣という行為が、量子の重ね合わせ状態を解除して、ふつうの「どちらか一つに決まった状態」を作り出す、と考えられています。
❸原子核と電子
具体例として、原子核の周りの｢電子｣は、量子の重ね合わせを理解する上で非常に良い題材です。 原子核の周りの電子は、まさに量子の重ね合わせの性質を顕著に示す代表例だからです。
原子核の周りの電子と重ね合わせ
電子は原子核の周りを回っていると教わった人も多いとおもいますが、電子は、地球の周りを回る人工衛星のように、決まった軌道を描いて回っているわけではありません。
量子力学によれば、原子核の周りの電子は「原子軌道 (atomic orbital)」 と呼ばれる確率的な広がりを持った「雲」のような状態で存在しています。 この「原子軌道」こそが、電子の重ね合わせ状態です。
(; ꏿ_ꏿ)？確率的な広がり？
電子雲は、原子核を中心とした、ぼんやりとした球状の広がりを持っています。電子が「色々な場所に色々な運動量で存在する」という、重ね合わせ状態を視覚的に表したものです。
電子は、あくまでも｢分割できない最小の点｣ですが、特定の瞬間に「ここ！」と一点に決まっているわけではなく、原子核の周りの広い範囲に、確率的に「ぼやけて」 存在しているのです。 これが、電子の重ね合わせ状態のイメージです。
なぜ 電子は原子核の周りで重ね合わせ状態になるのか？
▶電子の波動性: 電子は、粒子であると同時に波の性質も持っています。（二重スリット実験参照） この波動性が、重ね合わせの根本的な理由です。
波は、色々な波が重なり合って複雑な波の形を作ることができます。 電子も同じように、色々な「状態の波」が重なり合って原子軌道という形を作っているというわけです。
▶エネルギー準位: 原子内の電子は、特定のエネルギー準位しか取れません。これを｢エネルギーが量子化した｣などと表現します。量子化したエネルギーはとびとびの値しか取りません。 ｢準位｣は表彰台をイメージしたらいいです。（段差があり、1.5位とか2.6位の人はいない感じ）そして電子は、複数のエネルギー準位の状態が「重ね合わさった」状態 で存在することができます。金メダルなのか銅メダルなのかは確率的にしかわからないという感じです。 これが、原子軌道が「確率的な広がり」を持つ理由です。
(; ꏿ_ꏿ)もはや、｢そうなってる｣としか言えないそうです。
❹｢重ね合わせ｣は電子だけじゃない
重ね合わせの性質を持つのは、電子だけではありません。
量子的な存在 （光子、素粒子、原子、分子…）に共通する性質です。
光子（光の量子）: 色々な「偏光状態」や「運動量状態」の重ね合わせで存在できます。
素粒子（電子、クォークなど）: スピンや運動量、エネルギーなど、様々な性質について重ね合わせ状態を取りえます。
分子: 振動状態や回転状態など、複雑な内部状態について重ね合わせ状態を持つことができます。
△的解釈 （感想）
(; ꏿ_ꏿ)今回、△あんまかんけーないかな。感想を書きます。
△的には、観察(＝相互作用)を｢内部化｣と呼んでいて、これは△が対象を内部に取り込むイメージです。△に取り込まれた量子は、波の性質を捨て、粒の性質になり存在位置が確定します。
注意点としては、｢観察｣と言っても｢人間が意識的に見ると収束する｣という意味ではなく、観察するには光とかを対象に当てなくてはいけない。その結果、めっさ小さい対象の観測結果に影響しちゃう。これは不思議でも何でもなくて、観察がちょっち難しいと言っているだけです。スピる要素はありません。( ˘ω˘)
しかし、観測される前の波のときは｢重ね合わせ状態である｣とか｢確率の波である｣というのはガチで不思議です。流石に。
(; ꏿ_ꏿ) 物質の根本がまさか確率的て……
｢物理学は存在しない！絶望した！｣になりかねない事態よね。（ちなみにこの存在の確率的分布はシュレディンガーさんの波動方程式とやらでちゃんと計算でき予測可能です。物理学はむしろ元気になり、続いております。）
ともかく、この｢重ね合わせ｣こそ、古典物理学の世界と量子力学の世界を分ける、最も重要かつ基本的な特徴の一つと言えるでしょう。( ^o^)