2016年10月20日

不確定性原理とトンネル効果‐常識を覆す幽霊の様な存在‐通信教育課程一般教養課程(物理リポート)


ミクロの世界へ


不確定性原理とトンネル効果‐常識を覆す幽霊の様な存在‐法政大学通信教育部一般教養課程(物理リポート)

 不確定性原理とトンネル効果を説明する前にミクロの世界の説明をすると、この世界を構成している最小の構成要素、例えば電子は小さな粒でもあるが、池に入れた小石から広がる波紋のようなもので、広く雲のようなにつかみ所がなく、ありとあらゆる所に広がった存在ともいえ、実態が分からないものである。

我々人間が常識的に物には大きさがあり、重さがあり、形があり、存在している時間があり、どこにあるかもはっきりと確定できる、このような人間が勝手に決めた常識など、まったく通用しない世界である。

まさしく、幽霊のような存在なのかも知れない。


  不確定性原理を簡単にいうと、ミクロの世界では観測という行為が不可能、観測と言う行為が自然の法則に影響を与える。

例えば電子一個を人間が観測しようと試みたら、当然見るという行為が必要である。暗闇の中では人間は物を見ることができないので、電子に光を当てる必要がある。光は粒子でもあるので当然光を当てられた電子ははじきとばされる。

このことは位置を測定した電子は同時にその後の移動方向(運動量)が分からなくなる。

位置と運動量は同時に測定できないというのがハイゼンベルクの不確定性原理である。もう少し詳しく説明するなら、もし、電子が一定の波で運動していると考える。

そして、運動エネルギーをE、質量をm、運動量はpとすれば、E=__の公式で運動量をある程度、見出すことができる。


 そして、どこまでも続く波の為に電子の位置をこの時に測定することはむずかしい。

位置を測定しようとしたら、粒子検出器なる小型の箱が存在すると仮定しなければならない。

粒子検出器により電子一個は検出器内のきわめて小さな空間に存在することになる。では、この時、運動量はどうであろうか、波動でもある電子を箱の中に押しこめた結果、いろんな運動量の波が箱の中に存在する事になった。

このために運動量を測定することは難しくなった。


 不確定性原理は片方を決めると片方が不確定になると言うことで、互いに相補的な関係であると言える。

あらゆる物理量にはこの相補的な関係が存在すると考えられ、エネルギーと時間もその関係といえるだろう。

もし電子のエネルギーを正確に確定しようとしたら時間の固定ができず、電子がいつ存在するのかわからなくなってしまう。

少し難しいが、私が思うにこの宇宙はなぞだらけで、そもそも、時間の観念や位置などは人間が勝手に決めた価値観で宇宙の仕組みは今の人間では良く分からないというのが現状だろう。


 次にトンネル効果について説明しよう。

これまで述べたようにミクロの世界では何が起きても不思議ではなく、ミクロの世界の物質が壁を通り抜ける現象なんて、全然不思議ではない。


 電子は波動でもあるので、広い存在である。

例えば壁があった場合、人間界では音を想像してもらいたい。

音は波動である。もし壁の向こうで音が発生したとしたら、音は壁にさえぎられて、かなり小さくはなるが、人間の耳には、壁の向こうの音を感じ取ることができる。

電子は波動でもあるので、壁のような障害物があった場合、壁の内側に電子が存在する確立は非常に高いといえるが壁の外に電子が存在する確立も少なからずある。

つまり、壁を越えて電子が存在した時のことをトンネル効果という。


 この世界を構成しているすべての物質は原子とその周りを回っている電子である。

ミクロの世界から見ればこの原子と電子の間はとても広い。

そのため、物質は密度という観点から言うと、かなり、すかすかの状態と言える。

と言うことは、原子や電子などが壁を構成している原子と電子の間を通りぬけることは簡単に起こりうる事と言える。

実際はお互いに反発し合うので簡単には通りぬけることはできない。


 もう1つ、先ほどの不確定性原理からトンネル効果を説明すると、ミクロの世界では時間の長さを正確に測ろうとしたらエネルギーの大きさが不確定になる。

つまり、原子や電子などが持っているエネルギーは、時間により不確定である。

すなわち、元のエネルギーよりも大きくなることもある。そして、確立により、壁をすり抜けるほどのエネルギーを得ることも可能と言うわけである。


 トンネル効果の例として、ウランなどの重い原子はアルファ崩壊によって軽くなる現象がある。

これは原子核のなかで強く結びついている陽子と中性子が、本来は外に飛び出すことはないが、トンネル効果により、アルファ線として、飛び出し原子が徐々に軽くなっていくという現象である。


 トンネル効果を考えると我々でも壁を通り抜ける事が可能である。

なぜなら人間であっても最小の構成物資は電子と原子なのだから、しかし、たくさんの電子や原子の集まりで安定しているため、かなり低い可能性であろう。


 余談ではあるが、物理学を学習して衝撃を受けた。

まさにこの世の中は不思議なことでいっぱい、人間のものさしで測れるものではない事がわかり、また、宇宙の心理を紐解く物理学の奥の深さを痛感した。


(量子力学が見る見るわかる 橋本淳一郎 サンマーク出版 参考)

 


















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