「反逆」の原理：人間が測定誤差を排除することは不可能でしょうか？

1924年、ボーアはデンマークの研究所に23歳の若者を迎え入れました。 3年以上にわたって、ボーアは彼と深い友情を育んだ。ドイツに帰国後、この若者は非常に深い洞察に至りました。それは、人間がどのような方法を使っても、測定誤差をなくすことは決してできない、というものでした。この若者こそハイゼンベルクでした。

これまで科学者たちは、測定ツールが十分に優れている限り、対象物を可能な限り正確に測定できると常に信じてきました。しかしハイゼンベルクはこう言いました。「残念ですが、電子の速度と正確な位置を同時に測定することは決してできません。」

なぜ？なぜなら、私たちの測定動作自体が、必然的に電子の動きに干渉してしまうからです。本質的に、あらゆる測定は物体から反射された光を観察することから成ります。たとえば、私たちが目で物体を見るとき、実際に見ているのは物体によって反射された光です。測定対象となるすべての物体は照明されている必要があります。

光は光子で構成されているため、これらの光子は弾丸のようなものです。それらを使って電子を照らすのは、弾丸を使って別の弾丸を打つようなものです。光子が当たった瞬間、電子の運動状態は必然的に変化します。

電子の速度を測定するには、電子の経路上の 2 点の位置を測定する必要があります。さて、任意の点の位置を測定する限り、電子の運動状態は破壊され、電子が別の点に到達するのにかかる時間は元の時間とは異なります。したがって、位置と速度の両方を同時に正確に測定することは理論的に不可能です。

ハイゼンベルクは彼の洞察を「不確定性原理」と呼び、論文が発表されるやいなや学界で大きな反響を呼びました。

遠くデンマークにいたボーアもハイゼンベルクの論文を見た。よく考えてみたら、彼はショックを受けました！長年彼を悩ませてきた問題が突然解決し、さらに10倍も大胆なアイデアも思いついた。

ボーアは、電子の速度と位置を同時に正確に測定することはできないというのは事実だと信じていましたが、その理由は測定動作が電子の動きを妨げたからではなく、電子の正確な速度と位置の概念がまったく存在しなかったからです。シュレーディンガーは正しかったが、半分しか正しかったわけではない。電子は光子と同様に、粒子であり波でもあります。電子を測定すると、それは粒子として振る舞い、測定しないと、それは波として振る舞います。

ボーアはついに、電子が原子核の周りを回っているのに電磁波を放射しない理由を解明した。理由は簡単です。電子は軌道の周りを回転しているわけではなく、波の形で軌道全体に広がっています。

ボーアは、実際には、電子を測定しなければ、電子には物理的な形がないと信じていました。パンに塗られたバターのような波です。それは道路全体に広がっており、場所によっては厚く、場所によっては薄くなっています。太いところは測定される確率が高く、細いところは測定される確率が低いことを示します。しかし、バターの厚さは一定ではなく、時間の経過とともに周期的に変化します。波の本質は、一種の周期的な変化ではないでしょうか？

モグラ叩きゲームを例えにすると、私たちの測定動作はハンマーで何かを叩くようなものです。何も当たらないこともあれば、道路全体に浸透している電子波を一瞬にして一点に縮小し、モグラが当たったように見えることもあります。実際、ほくろ自体はハンマーによって形成されます。ハンマーがモグラに当たるかどうかを決めるのは、命中確率です。神でさえ、ハンマーがモグラに当たるかどうかは保証できない。

簡単に言えば、核となる考え方は、電子を測定しない限り、電子の状態は常に不確実であり、明確な位置も明確な速度もないということです。いかなる測定も、事実のうちの 1 つしか知らせてくれません。両方を知ることは不可能です。これが量子力学の第一原理である不確定性原理です。

不確定性原理が提案されるとすぐに、無数の疑問が投げかけられました。当時のほとんどの物理学者にとって、これはとんでもないことでした。しかし、この「突飛な」理論は徐々に経験的な支持を得て、量子力学の重要な基礎の一つとなった。

この記事は科学普及中国創造育成プログラムの支援を受けた作品です。

著者: サイエンスボイス

査読者: 北京交通大学物理学研究所上級エンジニア 周小良

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司