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量子とは？
最近ニュースで「量子もつれ」を利用した「量子テレポーテーション」が成功したという話を聞きました。 ところで、「量子」とは「粒子」や「原子」のように「物質」として「存在」するものなのでしょうか？ いろいろとWiki等を見てみたのですが、結局「物質」ではなく「現象」なのでしょうか？ 良くわかりません。 物理学には全く詳しくないので、簡単に教えていただけると助かります。
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量子の定義は「ある量が、その単位量の整数倍しかとり得ないとき、その単位量をその量の量子という」ということです。 これがどうして量子力学など、物理学に関係するかですが、非常に小さい、つまりミクロの世界では、そういうものしかないことによります。 最も古い発見では、原子でしょうか。電子が原子核の引力と軌道速度でバランスして、まるで恒星の周りを回る惑星のようであるなら、電子はどんな軌道も可能になるはずです。軌道の数としては無限にあることになります。実際には限られた数の軌道しかありません（実は、そうでないと原子が安定して存在しないのだけど、割愛）。これは、ある軌道（原子核に最も近いものでいいでしょう）の整数倍しか軌道がない、ということができます。 もっとよく言われるのが、物質は波と粒子の二重性があり、その点に着目して量子と呼ぶ、といったものです。波と粒子で粒子性について量子、という説明もあります。これも、ミクロでは飛び飛びの状態しかない、ということから出て来ています。 光はニュートンが粒子かもしれないと考えただけで、具体的な研究においては波動として扱われてきました。種々の現象や実験で波動の性質が顕わだったからです。ところが、ミクロの現象では波動で説明のできないことがでてきました。 例えば、光電子効果という、光を金属に宛てたときに飛び出してくる電子についてです。ある波長より長い光では、光量をいくら上げても電子は飛び出して来ず、波長を短くすると、電子が飛び出してくるようになる、といった特徴があり、光が波であると考えたら説明がつきません。これいついて、光を粒子であるとすれば説明がつきます。 光が波の性質を持つことは、既に明らかになっていますから、波であるけど、ときには粒子のようであるということになります。波と粒子、どちらの性質も持っているということですね。それが光量子仮説で、それによりアインシュタインはノーベル賞を受賞しています。なお、現在では光量子とは言わず、光子と呼んでいます。 音も実は量子として扱えます。フォノンと呼んでいます（音量子とか音子とは呼ばない模様）。原子の振動などでは重要となります。音もミクロでは飛び飛びであり、粒子のように振る舞うこともあるということです。 少し前にヒッグズ粒子の発見が、ニュースなどでよく報じられていました。あれも量子です。重力場、電磁場などと同様、ヒッグズ場といったほうがイメージとしては正確かもしれません。 普通は粒子性は持たないのですが（真空に隠れたヒッグズ場の状態）、見つけるためには高エネルギーで真空を叩いてやり、ヒッグズ場を揺らします。普通は場を揺らせば波が観測されるのですが、ミクロの現象のため、観測されるものは粒子性が強くなります。そのため、ヒッグズ粒子と呼ばれています。 その後、「普通の物質にはヒッグズ粒子がまとわりついているため……」といった説明を見かけるようになりましたが、「普通の物質はヒッグズ場にいつため……」とするほうが正確なイメージを伝えやすいかと思います。もっとも、そのレベルのミクロさになると、場なのか量子なのかどっちでもいいということもあり、特に間違いとか問題ありというわけではありません。 しまった、波と粒子ということから、少し先走りました。波だけでなく、場もミクロに見れば量子になります。電磁場は量子化にほぼ成功しています。ミクロの世界の電磁気学などで、それにより非常な進展がありました。 次は重力場を量子化する努力がなされていますが、なかなかうまく行きません。もし成功すれば、重力を含めたミクロの世界の記述が可能になり、非常な発展が見込まれます。 非常に多岐に渡るわけですが、もし簡潔に言うなら、量子とはあらゆる現象をミクロで見たときの、常識ではちょっと考えられないような物質やエネルギーのありさま、と考えてよいでしょうね。
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- s_hyama
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アナログからデジタルにすることを量子化といいますね。
お礼
そうなんですか！初耳です。
- English-most
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量子というのは、考えている対象の扱い方の一つという風に考えてください。 例えば、高校まででやった物理(特に、力学)を思い出してみてほしいのですが、そこでエネルギーの値がとびとびなんてことはありましたか? 基本、連続的な物理量しか扱っていないはずです。 このような力学を量子力学と対応して、古典力学と呼びます。(現代の物理学のほとんどが量子論を取り込んでいるため。) しかしながら、本当のミクロの世界に行ったとき、エネルギーを始め、物理量がとびとびの値を取らざるを得なくなってきます。このように、とびとびの値を取るように物理量を定めることを量子化といいます。量子化とは、量子的に(=とびとびの値として)扱えるようにすることと解釈してもらえれば結構です。 よって、私の結論としては、量子とは、物質でも現象でもなく、その双方を取り扱う手段の一つということですね。
お礼
ふむ、つまり曖昧な事象ということでしょうか？ 物質で計算できないものを表現する手法？みたいな？ ますます謎ですが、なんとなく分かったような気がしないでもないです（＾＾； ありがとうございました。
- chie65536（@chie65535）
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量子とは http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%87%8F%E5%AD%90 「物理量の最小単位」って書いてあります。 量子論とは http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%87%8F%E5%AD%90%E8%AB%96 「量子現象を扱う自然科学の理論の総称」って書いてあります。 量子力学とは http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%87%8F%E5%AD%90%E5%8A%9B%E5%AD%A6 「エネルギーレベルの不連続性を理由付けるために導入された理論」って書いてあります。 「量子力学」は「量子論」の「ごく一部」です。 ＞いろいろとWiki等を見てみたのですが、 「量子」と「量子論」と「量子○○学」がごっちゃになってるから、良く判らないのです。 特に、量子論は、殆どの自然科学に影響を与えているので、「物質」や「現象」に大きく関わります。 ＞結局「物質」ではなく「現象」なのでしょうか？ 量子論は、物質にも現象にも大きく関わるので「物質なの？現象なの？どっち？」って言われても困ります。 結局、量子ってのは「概念」なので、物質だったり物質じゃなかったりするし、現象だったり現象じゃなかったりします。 貴方は「１ミリメートル」と言う「概念」を知っていますよね？ この「１ミリメートル」って、物質でしょうか？現象でしょうか？ 「量子と言う概念」も「１ミリメートルと言う概念」と同じで、物質とか現象とかでは語れないのです。
お礼
詳細な説明ありがとうございます。 うーん、脳みそに入りきりません（＾＾； つまり「概念」というか、「あり方」を言うんですかね？ 粒子と波動の両方の性質を持つというような、通常の物理学ではまだ説明の付かない事象のこととか。 うーん・・・奥が深い・・・。 ご回答ありがとうございました。