量子トンネル効果によれば、誰かが常に壁を通過しようとする場合、成功する確率はどれくらいでしょうか?

この記事は、ネットユーザーからの質問に答えるものです。量子力学の理論によれば、人が壁にぶつかった場合、それを通り抜けられる確率はどれくらいでしょうか?

責任を持って簡単に言うと、確率はゼロです。

量子力学は量子領域でのみ発生する現象を説明します。

いわゆる量子場はミクロな場です。量子力学の理論は、微小な粒子の世界の現象を記述する場合にのみ有効です。これらの現象はマクロの世界には存在しません。

この微細なものはどれくらい小さいのでしょうか?それは主に原子よりも小さいレベルである亜原子レベルにあります。刺繍針の先端の直径は約10μm（マイクロメートル）、つまり約0.000001cm^2です。これは非常に小さいように思えますが、量子にとっては、依然として極めて巨大なマクロ的な問題です。原子の直径は約10^-12cm、見かけの面積は約10^-24cmです。つまり、針の先端には 100 兆個の原子が配列されることになります。

亜原子粒子は、中性子、陽子、電子など、原子よりもはるかに小さい粒子です。これらの素粒子の直径はすべて 10^-17 cm 以下なので、針の先に 100 兆兆兆個並べることができます。量子トンネル効果は主に、人間には見えない亜原子レベルまたは原子レベルで発生します。せいぜい、特定の分子（水分子など）のレベルでのみ発生します。人間レベルに達するマクロ的な現象はおろか、針先サイズを実現することすら全く不可能です。

ですから、そのような空想を抱いている人には、それを試みないようにアドバイスします。なぜなら、壁が豆腐でできていない限り、何度殴っても頭から血が流れ、強く殴れば殴るほど早く死ぬからです。

量子トンネル効果とは何ですか?

壁を通り抜けて何でもできるという空想を多くの人に抱かせる理論は、量子力学における量子トンネル効果の理論を一部の人々が誤解した結果です。

いわゆる量子トンネル効果とは、電子などの微小粒子がポテン​​シャル障壁を貫通または通過できるという量子的な振る舞いを指します。潜在的障壁は複雑な概念です。これを明確に説明するには、一連の関数方程式やその他の知識（下の図はほんの一部）が必要になりますが、ここでは説明しません。

簡単に言えば、量子トンネル効果とは、微小な粒子が、一見乗り越えられない壁（本来は乗り越えられない潜在的な障壁）を飛び越えることができることを意味します。古典力学、つまりマクロな世界ではこれは不可能ですが、量子の世界では、この粒子はこの高い壁を越える可能性を持っています。これはあくまでも確率であり、絶対的なものではないことにご注意ください。

いわゆるポテンシャル障壁は、実際の壁や仕切りなどの目に見える物質ではなく、エネルギーです。原子内の粒子が原子核のエネルギーによって結合しているのと同様に、論理的には、原子核のエネルギーポテンシャルから逃れるには超強力なエネルギーが必要です。したがって、古典力学の理解によれば、これらの粒子は核ポテンシャルから逃れることはできません。

しかし、アルファ崩壊の過程では、アルファ粒子は原子核のポテンシャルよりも大きなエネルギーを必要とせずに原子核から放出されます。この現象は量子力学の不確定性原理と波動関数によってのみ説明できます。

この理論が確立された後、科学界は星内部の核融合、放射性崩壊、天体化学、量子生物学におけるいくつかの現象をよりよく解明できるようになり、徹底的な科学研究を促進しました。科学者たちは量子トンネル効果の理論に基づいて走査型トンネル顕微鏡も開発しました。 2人の発明家、ゲルト・ビーニングとハインリヒ・レーラー、そして電子顕微鏡の発明家、エルンスト・ルスカは、1986年のノーベル物理学賞を共同受賞しました。

量子の世界には、微視的レベルでしか起こりえない奇妙な現象が数多くある。

量子論の中で最も有名な理論は不確定性原理と波動関数の崩壊です。

不確定性原理は、不確定性原理とも呼ばれ、1927 年にハイゼンベルクによって提唱されました。この理論の核心的な内容は、粒子の位置の不確定性はプランク定数を 4π で割った値以上でなければならないため、人間が粒子の位置と速度を同時に知ることは不可能であるというものです。式は ΔxΔp≥h/4π です。

この理論は、ミクロの世界における粒子の挙動が、マクロの世界における物質の動きとはまったく異なることを示しています。私たちのマクロな世界では、車、飛行機、さらには宇宙船の位置と速度を同時に知ることができるため、古典物理学を使って理解することは困難です。

波動関数の崩壊とは、特定の量子力学システムが外界と相互作用した後、波動関数が変化してその固有状態の 1 つになるか、同じ固有値を持つ複数の固有状態の線形結合になる現象を指します。この文章をどう理解しますか？実はこれも量子不確定性原理の拡張であり、量子測定によって量子の振る舞いが波動状態から粒子状態に変化し、観測結果が不確実になるというものです。

量子力学におけるいくつかの不思議な現象については、一般の人々が理解できないだけでなく、量子力学の創始者の一人であるアインシュタインや、量子力学の波動方程式（シュレーディンガー方程式）を作ったシュレーディンガーでさえも非常に困惑していました。前世紀、彼らはコペンハーゲン学派（その理論はコペンハーゲン解釈と呼ばれ、後に量子力学の正統理論として確認された）と半世紀にわたる論争を繰り広げ、最終的に敗北した。

最も有名な例の一つは「シュレーディンガーの猫」という思考実験である。

このかわいそうな「猫」はシュレーディンガーによって何もないところから作り出された。彼の考えは、密閉された箱の中に猫がいるというものでした。箱の中には毒ガスの瓶が入っているので、猫はいつでも危険にさらされています。毒ガスの瓶には、瓶を粉砕できるほどの大きさのハンマーが付いています。ハンマーは放射性元素の崩壊によって制御されますが、この元素がいつ崩壊するかは誰にもわかりません。

この猫には 2 つの結末が考えられます。1 つ目は、元素が崩壊する限り、ハンマーが落ちて瓶が割れ、毒ガスが溢れて猫が死ぬことです。第二に、元素は崩壊せず、猫は生き続けます。

問題は、猫は死んでいるのか、生きているのかということです。

古典力学の理論によれば、この猫には死ぬか生きるかという2つの明確な結末がある。しかし、箱は密封されているため、外にいる人は箱を開けるまで猫が生きているか死んでいるかを知ることができません。箱を開けてみなければ、猫が生きているのか死んでいるのか、どちらかを確実に知ることはできない。

しかし、不確定性原理と波動関数の崩壊理論によれば、量子力学では、箱が開けられる前の猫は死んでいる状態と生きている状態の重ね合わせ状態にあり、死んでいる状態や生きている状態は存在しないと考えられています。箱が開けられ、観測によって波動関数が崩壊した場合にのみ、猫は波の重ね合わせ状態から固有状態、つまり死んでいるか生きているかのどちらかに崩壊します。

両者の論争の焦点は、古典力学では箱を開ける前は猫が生きているか死んでいるかが分かっており、結果は箱を開けた後でしか分からないという点である。量子力学では、箱を開ける前と開けた後の状態は分かっており、箱を開けた瞬間に猫の生死が決まると考えられています。箱が開けられる前、猫は死んでいる状態と生きている状態が重なり合った状態にあります。

さて、食べること、飲むこと、排便、排尿といった私たちの日常の常識に基づいて、あなたはどちらの主張を支持しますか?もちろんそれは古典力学の方法です。量子力学の主張は単なる狂人の戯言ではないのか？おめでとうございます。あなたの考えは、アインシュタインやシュレーディンガーのような偉大な科学者の考えとまったく同じです。

シュレーディンガーは、奇妙な現象を支持する量子力学の理論を風刺するためにこの思考実験を思いつきました。しかし、後の事実により、量子の世界の猫は本当にこのようであったことが証明されました。箱が開けられる前は、魔法のように死んでいて、生きていました。これらの奇妙な現象は量子の世界に本当に存在します。

有名なベルの不等式実験がこの議論の審判を務めた。この実験はコペンハーゲン解釈の信頼性を裏付けるものであり、科学界で広く認められました。その結果、コペンハーゲン解釈は量子力学の正統な理論となった。 （ベルの不等式については以前にも話したので、今日は話しません）

今日の科学界では、量子力学の理論とアインシュタインの相対性理論を組み合わせることによってのみ、世界をより正確に理解できるという見解が一致しています。現在、量子力学の理論は科学研究や技術応用のさまざまな分野で重要な役割を果たしており、人類文明の発展をより高いレベルに促進しています。

量子力学の理論は、シュレーディンガーの猫、量子トンネル効果、量子もつれ、デコヒーレンスなどの量子の世界における多くの奇妙な現象を説明します。しかし、これらは量子レベルで起こる現象に過ぎず、マクロな現実世界の論理では検証できません。

かつては、アインシュタインやシュレーディンガーなどの科学者とコペンハーゲン学派の間の論争がその時代における科学論争でした。これらの理論が常識となった今、無理のある関連性を考えたり、超自然的存在と結び付けたりするのは愚かなことだ。どう思いますか？議論へようこそ。読んでいただきありがとうございます。

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