量子力学の8 場の理論1
実は私もこれをどう説明したら興味を持ってくれるか、長い間検討しました。
少し難しいかもしれませんが、こんなものと理解してください。
１、”場の理論”の”場”とは何か
場は物理学の数学の１つの結果である。数学の計算ではあるが、数々の量子理論の
実験結果の一致から、その理論の信憑性が高まっている。
１、”場”の種類
電場や磁場など、空間に”電気力線や磁力線などエネルギーを振りまいている者たちを
学校では電界、磁界として習った。光はニュートンやファラデーの頃のマクロの世界では
電磁波という波動の一つとして電磁力学という学問になっており、実験結果は辻褄が合っていた。
量子力学のミクロの動きを昔の電磁力学では説明ができなくなってしまった。
この世界を４次元としては現象を観測している。と前の章に
書いたが、
量子の世界の摩訶不思議の実態の事を予備知識として
頭に入れたほうが、混乱が少ないと思うので
老婆心で追加の話をします。
皆さんはこの世の中が4次元であることをどのように
把握しているでしょうか。
3次元の空間に上下に同じような空間を並べたものと
想像するのが、一般的な頭の想像である。実際は、
そんなに単純なモデルでない。
1個の電子の重量による重力は、計算式では
この宇宙全体隅々に波及しているのである。
一体どのくらいの素粒子がこの宇宙空間に存在しているか。
数は数え切れません。
それらの重力により、空間が歪み、時間の流れが
変化するとしたら、
時間を加えた空間を表す的確な表現は、限りなき混沌で
ぐちゃぐちゃである。
と表現するのが正しい。
つまり、頭では想像の絵が描けません。
しかし、私たちが、定規を使用して、物の寸法を測る時、
ほぼ正確に測ることができる。1/1000ミクロンを測定する。
顕微鏡もあります。
さらに、原子の1個、1個を電子顕微鏡で、動きを観察できる。
それで、電子顕微鏡で観測した。原子は、観測している中で、
突然に消えることはなく揺れ動いて観測される。
実験結果は尊重されるべきであるが、量子の実験の電子の
挙動を考えると矛盾する。つじつま合わせは最後に。
いよいよこれから本命の電子は粒子か波動か実験の内容を
説明します。
実験装置の概要
１、電子発生源を1つ置きます。
２、少し離れたところの細い2本のスリット（切れ間）を
入れたついたてを置く。
３、ついたての先に電子の到着を検出する蛍光板みたいなものを
置く。
４、２の2本のスリットのついたての2本のスリットそれぞれの
電子発生源側に
電子がスリットを通るかどうかを電子の検出器（蛍光板は
使用できないので電場か磁場の非接触検出器詳しいことは
すみません不明です。）を置く。
実験方法は、
１、電子発生源からの電流を絞って、単位時間当たりの
電子発生個数を調整しつつ、
２、蛍光板による電子の衝突を観測する。蛍光板上に電子が
当たると点が光る。
これは電子1個では蛍光板全体を発光させることは
できないので、電子の存在確率の分布に則り、
蛍光板上に電子到着とともに次々に点画が重ねられ、
一つの絵になる仕組みである。
そこまでの精密測定なので、真空度や振動や温度の等の
条件も変動が 精密に制御されている。
もし、電子が粒子ならば2つのスリットによる電子の通過から、
点画は2つの山の分布。
もし、電子が波動ならば2つのスリットによる電子の通過から、
点画は縞模様の分布。
３、2個のスリット前の電子検出器は電子が2本のスリットに
同時に入ったか電子がスリットに交互に入ったかを観測する。
測定結果は
１、スリット前の電子検出器を使用しない場合は干渉縞ができ、
つまり電子は波動であると言える。
２、スリット前の電子検出器で2つのスリットを通る電子を
全て観測すると2つの山が出来る。つまり粒子である。
スリット前の検出器の観測結果はスリットに同時に
電子は通過しない結果（見事に交互に通過）であった。
３、スリット前の電子検出器で2つのスリットを通る電子を常に
2か所同時でなく半分観測するとスリット前の検出器の
電子の観測の割合で干渉縞と2つの山が出来る。
実験結果の意味するところは
途中の電子を観測しなければ、電子は波動で、
途中の電子を観測すると観測の比率に比例して粒子の性質が
現れると言う事になる。
もちろんスリット前の電子を観測することで、電子に外乱を
与えて、その影響でそのような実験結果になると考えるのは
そう単純でない。
マクロの世界では外乱があった場合、実験結果に
ノイズとして記録される。
しかし、ノイズを取り除くと掠れていても、真の結果が
残っているのである。
電子のこの実験の実験結果は、ノイズというより、
波動と粒子の電子の存在確率計算結果の混合が行われる。
つまり、縞模様も、2つの山も過去の実験から求めた計算式
（理屈は不明）の電子の存在確率計算結果そのものの混合で
あること。
１００％スリット前の電子を観測すれば１００％粒子の２つ山になり、
５０％スリット前の電子を観測すれば、
５０％波動の縞模様、
５０％粒子の２つ山、
そして、スリット前の電子を全く観測しなければ、
１００％波動の縞模様になる。
私の感想として（つじつま合わせ）
観測者問題とは
観測者により、電子の存在確率が変化する。簡単にいうと、
観測していると言う事を事前に電子が認識して、スリットに
飛び込む感じ時間的にいうと電子がどうして未来が
（電子が未来を知って行動する）わかるのか。
電子に意思があり、観測者の意思を理解することができる。？
または、観測されると電子が時間を遡り存在確率を波動から
粒子に変身させる為に、電子発生時期にまで遡る？
たぶん、アンタッチャブルな領域なのかもしれない。
大学生のころ、リンゴを見ていない人にリンゴを説明する場合、
どのように説明するかと言う事で先生と話し合ったことがある。
色は赤であり、縦に切るとハート形、横に切ると丸型、
味は水気があり、少し酸っぱいが甘い、重量とか大きさとか。
電子は、我々の体を構成しているものであり、この世界に
たくさん存在する。
コンピューターの信号も電子である。モーターは電子で動き、
発電機は電子を動かす。
上記の原子を電子顕微鏡で観測するためには、
高電圧な電子を原子にぶつける必要がある。
その結果、原子の様子が観測されるのである。
この結果が100％真実の姿であると言い切れるかどうか不安に
なった。（原子にだまし絵を見せられているのではないか。）
我々の観測は、多くの部分が隠された氷山の水上の一角を
一つの見方で見ているだけかもしれない。
見えているものだけ大切にして、ほかの見えないところを
無いものにして、科学が構築されている。
それにしても、量子実験結果からただ合うように
作り出された計算式が実験により繰り返されて現れてくるのは
不思議である。
この世界は数学の世界で成り立っているのだろうか。
しかし、今までもそうだが、今後も今ある最新の量子科学の
数学の方程式は今後の実験結果から間違えが指摘され、
新たな修正がこれからも繰り返されることは
間違えない事だと思う。
* 追記
ワイルの言葉 精神と自然ｐ286
「絶対性を希求するのなら、絶対性のみならず主観性、
すなわち事物の存在根拠である（私）をも考慮しなければ
なりません。客観性への志向を持つ人は、相対性の
問題から逃れることができません。」
ワイルの考えに対する私の見解
人間の主観は精神
人間は自然に含まれる。
量子科学を含む自然を探求する場合、
観測者が主観として２つの相対を客観的に
観測することは可能である。
量子科学だけに限り説明すると、
観測対象の量子の世界は未知の部分が
多く、さらに、人間（観測者）も世界の一部である
ゆえに観測結果も自然の未知の部分の影響を
受けている可能性がある。
科学（量子理論）の進歩を目指すなら、実験装置や
測定装置以外に人間の主観である精神も
進歩させる必要があると、ワイルは
言いたかったのではないかと私は思う。
ボーアの言葉 精神と自然ｐ312
「なぜ哲学者でもないのに、主観と客観の関係の
ような問題にあえて触れたかと申しますと、物理学の
新しい状況には、私たちが存在という壮大な
ドラマの観客であると同時に演技者でもあるという
古い真理を、まざまざと思い出させるところが
あるからです。」
参考文献
ヘルマンワイル 精神と自然 岡村浩訳 ちくま文芸文庫
Ｐ．Ａ．Ｍ。ディラック 現代物理学講義
有馬朗人 松瀬丈浩共訳 培風館
Ｒ．Ｐファインマン 物理法則はいかにして発見されたか
江沢洋訳 岩波書店
電子は波動か量子かの話ははこれで終わりですが、
分からない人は難しい本と思いますが、参考文献を
読んでください。
次もほかの不思議な量子科学について書きたいと思います。
つづく。
場