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うさぼうの人生ダッシュボード化計画

仕事や家族との生活、読書や体験から考えたことを書き綴り、人生をゲームのように楽しむヒントを発信中

量子力学について知りたい

雑記

http://www.flickr.com/photos/93636241@N07/8536981794

うさぼう(@usabo_tweet)です。

 

量子力学相対性理論だって概念くらいは知っておかないとね、ということで量子力学について調べてまとめてみます。図書館で本も見てみたのですがあまり簡単なものがなかったので。。

なぜ量子力学について知りたいか

量子力学相対性理論は現代物理を代表するキーワードです。まずは単純な好奇心です。次に職場で話題になった時に聞いたことがあるのに概念を説明できず恥ずかしい思いをしたため。最後は、知識を広げて自身のゲーミフィケーション研究や仕事にも役立てたいという想いです。

量子力学を知るための問い

知るといったって難しそうなので、「知った」ことを自分でチェックするための質問を用意してみます。

 

  1. 量子とは何か
  2. ニュートン力学との違いは何か
  3. 何がすごいのか、何に活かされているのか

1. 力学というのは中学や高校の物理で習ったものなのでこの際知っていることにします。慣性の法則運動方程式、作用反作用ですね。それらの法則を使って等速直線運動とか等加速度運動とか放物線運動とか説明したような。なので問題は先頭についている「量子」というものなのです。量子とはいったい何なのか。

2. 高校で習った物理の力学はニュートン力学だと信じてそれとの違いを理解するのが近道だろうと考えました。

3. 今から学問の世界に入りたいわけではないので日常生活の視点から何がすごいのか、また何に活かされているのかはぜひ知りたいです。逆をいうと体系的な概念の理解が深まってもここが解決しないとすっきりしないのです。

 

では1つ1つ調べていきます。

量子とは何か

粒子性(物質の性質)と波動性(状態の性質)を併せ持つ、このような特殊な存在を、 普通の物質と区別するため、「量子」(quantum) と呼びます。
その「量子」を研究するのが「量子力学」です。 電子は「量子」の代表格です

量子力学入門:量子とは何か?

ふーんという感じではありますが、そんなに違和感はないので次に進みます。元素>原子>陽子、電子、中性子クォークuとd という感じ。

ニュートン力学との違いは何か

ニュートン力学量子力学に直接的な関係はなくニュートン力学解析力学量子力学という流れである。

力の測定が難しく、代わりにポテンシャルという概念を使うようになった。ポテンシャルの微分(傾き)が力。(知恵袋よりusaboまとめ)

ニュートン力学と量子力学は、どのような関係にあるのでしょうか?ニュ... - Yahoo!知恵袋

 Yahoo!知恵袋の回答を引用するのはWikipedia以上に抵抗があるのですがこれも時代の流れでしょう。

電磁気学ニュートン力学が互いに矛盾することが問題となったのを、ラグランジュとハミルトンが解析力学として発展させた。さらに19世紀末から20世紀初頭で修正された新しい力学は特殊相対性理論と呼ばれ、一般相対性理論で完成し古典力学と呼ばれる。(wikipediaよりusaboまとめ)

ニュートン力学 - Wikipedia

ニュートン力学が改良され完成したとしてそれが古典力学と呼ばれるのであれば、今度はそれと量子力学の違いは何なのでしょうか。

古典力学:マクロ(目に見える)、決定論

量子力学:ミクロ(電子や原子核)、確率論

古典力学と量子力学 【OKWave】

何がすごいのか、何に活かされているのか

江崎玲於奈先生の半導体の量子トンネル効果はトランジスタ等の技術(PCとかスマホとかの脳みそ)に使われている。
これが発見されるまでは、半導体はとても使い物にならなかった。何故ならばいきなり電圧が高くなったり低くなったりするからだ。この不確定さこそが、量子トンネル効果であった。それを発見し、理論的に解明し、更にはこうして実用化している。現代の情報化社会を支える上では無くてはならない技術の一つである。

量子力学は、実用的には、どのように活用されているのでしょうか。 - Yahoo!知恵袋

 量子力学の適用範囲の広さと現代生活への影響の大きさは、相対性理論を凌いでいる[7]。一例として、パソコンや携帯電話[8]、レーザー光線や半導体は、量子力学の応用で開発されている[5]。工学において、電子工学や超伝導量子力学を基礎として展開している[9]。また、太陽表面の黒点が磁石になっている現象は、この理論によって初めて解明された[5]。

量子力学 - Wikipedia

いったい量子力学とは何なのか

 今日の私の理解で最も端的に表現するなら下記の通りです。

量子の確率分布を数学的に記述することができ(確率解釈)、粒子や電磁波の振る舞いを理解することができる。

量子力学 - Wikipedia

正直全然すっきりしないけど少し道筋はつけられた気はします。自然現象を説明しようとする物理学の世界からそれを活用する工学の世界までざっくりと理解しようとしたのが欲張りだったのでしょう。

終わりに

こうした試みは楽しいのでまたやりたいと思います。

今度は相対性理論についてやろうかな。

皆さんも知りたいと思ったことを、どうして知りたいと思ったか書き出して、知ったことをチェックできる問いを設定して、調べてみてはいかがでしょうか。

 

ゲーミフィケーション研究家usaboより

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冒頭の写真photo by UCL Mathematical and Physical Sciences