2011-08-06

素人が創る科学の世界~【光 子】1~二重スリット実験から見る量子論の不思議(前編)

みなさんこんにちは
今回は『太陽エネルギーシリーズ」』……を改め、
素人が創る科学の世界【光子】シリーズ』をはじめます!
最終的には、「電磁波とは何か?」という問題から「人体や地球への影響は?」を解明していくことが目的ですが、光も電磁波であり、「電磁波ってなに?」は「光ってなに?」とも置き換えられます。
ということで、この【光子】グループでは「光とは何ぞや?」をテーマにして、しばらく追求してみたいと思います
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画像はこちらからお借りしました ありがとうございます
前回の記事
(4)次代を照らす太陽エネルギー4~太陽エネルギーはどのように地球に到達しているのか~では
電磁波が宇宙空間をどのように伝わるのか?
宇宙空間には媒質が存在するのか、しないのか?
というテーマを扱い、
宇宙空間には素粒子と呼ばれる超微細な物質が多く存在しており、電磁波を伝える媒質も存在しているのではないか?
という仮説をたてました
なにやらこれから数回にわたって、とても小さな物質の話を扱っていくことになりそう なので、今回と次回では(電磁波を伝える媒質の存在やそのふるまいに迫る前段階として)素粒子のような小さな物質のふるまいを考える上で重要な「量子論」について探っていきたいと思います
いつものお願いします :D

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☆☆☆そもそも量子論とは?
量子論というのは原子や分子、電子の様な量子スケールの世界で起こる出来事を記述するための物理体系です。
ニュートン力学などの古典力学では記述できないのか?と思うかもしれませんが、古典力学が量子スケールでの現象をうまく説明できない事は実験などで判っています。 量子スケールの世界では古典力学は使えないのです。
というのも、古典力学ではあらゆる物体について初期条件が測定できれば、その後の運動(位置と運動量)を完全に記述できるとされています。しかし、実際には原子や分子、電子、素粒子などの非常に小さなスケールの現象を扱う場合、粒子の位置と運動量は同時に両方を正確に測定することができないのです。(これに関しては次回扱うことにします。)
一方で、(前回の記事でも少し扱いましたが)光は「波」と「粒子」の二重性をもつことが知られています。そして、この「波」と「粒子」の二重性は光だけが持っているものではなく、実は、素粒子や電子、分子や原子など、量子スケールの物質はみんなが持っているんです
今回は、この面白い性質が観察される実験を紹介しながら、量子論の不思議な世界を勉強していきましょう
☆☆☆二重スリット実験
☆☆実験概要
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以下、画像はこちらからお借りしました
上の図を見てください。
電子銃の前にボードが置かれ、そのボードには「2つのスリット(隙間)AB」が開けられています。
そして、そのボードの奥にはスクリーンが配置されています。そのスクリーンはカメラのフィルムのように感光する性質を持っており、電子が当たるとその場所に白い跡を残します。つまり、スクリーンには、電子が当たった場所が映し出されるということです。
以上が、二重スリット実験の概要です。
概要がつかめたところで、いざ実験に進みましょう
 
☆☆実験A ~一度に大量の電子を発射~
電子銃から大量の電子を発射します。
すると…なんということでしょう!下図のような模様がスクリーン上に現れました
実はこれ、「干渉縞」とよばれる模様なんです
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では、なぜこのような実験結果(干渉縞)が現れたのでしょうか?
この実験結果、電子が「波」のふるまいをしていると解釈するとうまく説明できます
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まず、電子銃から電子の「波」が飛んでいき、ボードに達します。
ボードには「2つのスリット」があるので、波は「スリットAを通っていく波」と「スリットBを通っていく波」の2つに分かれます。すると、スクリーン上にはその2つの波が重なり合ったものが見えるはずですよね?
つまり、2つの波の「山と山」「谷と谷」が重なっているところは、お互いに強め合って明るくなり、逆に、波の「山と谷」が重なっているところは、打ち消しあって波が消えてしまいその場所は暗くなってしまいます。
したがって、干渉縞が出現するのです。
実験Aの結果からは電子は「波」の性質をもつということが言えそうです。
☆☆実験B ~一粒の電子を発射~
次に、電子銃の出力を弱めて一粒の電子のみを発射します。
すると、スクリーン上にはポツンと小さな点が出現しました。
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発射された一粒の電子は、スリットAかスリットBを通り抜けてスクリーンに到達します。
その一粒が当たった場所がスクリーン上にひとつの点として現れることはなんの不思議もありませんよね~
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ここで確認のため追加実験として、スリットAとスリットBに電子を感知するセンサーを設置してもう一度実験Bをやってみましょう!
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結果は
どちらかのセンサーしか反応せず、「一方のスリットを通り抜けたならば、もう一方のスリットは通り抜けていない」ということになりました!
やはり、
実験Bの結果からは電子は「粒」の性質をもつことが言えそうです。
ん??ちょっと待って!
実験Aの結果は「電子は波の性質をもつ」なのに、実験Bの結果は「電子は粒の性質をもつ」となってしまいました…。
一体どっちが正しいのでしょうか?
次の実験Cはもっと不思議です!
☆☆実験C ~大量の電子を一粒ずつ発射~
では次に、電子銃から「電子1個」の発射を何度も繰り返したらどうなるのでしょうか?
つまり、実験Bを何度も繰り返すわけです。
結論から言うと…なんと!実験Aの結果と同じ「干渉縞」がだんだんと出現してくるのです!
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slitA.gif
slitB.gif
一体どういうことなのでしょう?
電子は粒としてスクリーンに現れているのに、その動き方は波になっている…?
なぜこんなことがおきたのでしょうか?
実験Cから得られた結果を一言で言うと
「電子1個がスクリーン上のどこで観測されるか?」という確率の分布が、干渉縞(波)の形になっている」ということです。
ではそもそもこの干渉縞とはどこからくるものなのでしょうか?
実験Aでも述べましたが干渉縞とは「スリットAを通り抜けたナニか」と「スリットBを通り抜けたナニか」が重なりあって現れる模様です。
当然スリットBを塞いで実験Cをやると干渉縞は発生しません!つまり、干渉縞の発生には2つのスリットが必要なのです!
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しかし!
ここで思い返してほしいのは、実験Cは電子を一個ずつ発射しており、その場合にはどちらかのスリットにしか電子は通っていないということが実験B(追加実験)からいえます。
ということは?スリットAを通り抜けた電子にとって、スリットBの存在はまったく関係なく、スリットAだけで実験したときと同じになるはず
ですよね?しかし、現実にはスリットAとスリットBによって決定される干渉縞が出現するのです
これはもはや手に負えませんね 日常のアイデアでは上手く説明できなさそう…
というわけで、このよくわからない実験結果を説明するための様々な解釈論が生まれたのです!
今回は長くなったので、それらの紹介はまた次回にします
ここまで読んでくださったみなさん、ありがとうございました
(今回の記事はこちらのブログを参考にさせていただきました 8) 8) )

List    投稿者 YAGU70 | 2011-08-06 | Posted in C02.素粒子(量子・光子)14 Comments » 

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コメント14件

 KokiPapapa | 2012.06.15 15:47

参考になります。
電磁波の影響は周波数だけでなく、機器の出力
(使用時の電力)にも比例しそうですね。IHは周波数は高くないでしょうが、電力は巨大。携帯は水分が共振する周波数に近く、人体は影響を受けやすい と解釈しています。

 mame | 2012.06.16 0:16

KokiPapapaさん
コメントありがとうございます☆
IHの電力の強さは確かにありますね!!だから電磁波も強い。
でも、KokiPapapaさんが仰るとおり、人体への影響を考えるには、「水」に対する影響を探ることが大きなカギを握っていると思います。
その”水が温められる仕組み”については、幾つか論説がありますが、只今真実を追求中ですので、今後も楽しみにしていて下さい♪(o^^o)

 問題児 | 2012.06.16 19:23

携帯等の人工の電磁波が有害という話はよく聞きますが、自然界の電磁波(光等)との違いはエネルギーの強さの違い?
電磁波が人体に有害かどうかは、エネルギー強さによって決まるということなのでしょうか?

 mame | 2012.06.16 22:33

問題児さん
コメントありがとうございます♪
電磁波の定義は非常に幅広く、可視光や紫外線からレントゲンのX線まであらゆる物が「電磁波」です。
それらの違いは、”周波数”で決まっています。
携帯電話の周波数帯は「マイクロ波」と呼ばれる300M~3GHzの極超短波という電磁波です。
ですので、問題児さんの着目した点は、すごく重要だと思います!!
電磁波は、あらゆる物から出ているけれど、人体に影響があるのは、昔の地球(自然界)には無かった周波数帯の電磁波なのではないか。そして、その周波数帯とは、携帯電話や電子レンジに使われてる「マイクロ波」・・
というところには私たちも注目しています☆

 bemsj | 2012.06.28 0:31

(グラフは 環境省 平成16年度生活環境中電磁界に係る調査報告書を元に作成)
の中に 携帯電話からの磁界が30μTと記載されているとありました。
紹介の環境省の報告書の何ページにこのデータが書かれていますか?
一読しただけですが、携帯電話30μテスラという数字は見つかりませんでした。
再度 見てみますが、ページ数を教えていただければ幸いです。

 AMATO | 2012.07.06 14:38

>2度もノーベル賞を受賞している天才学者ライナス・ポーリング博士【化学賞・平和賞】「電子レンジで調理された食品のタンパク質は、L型アミノ酸が自然界にはないD型アミノ酸に変化しており、代謝不可能となっている。それが原因となって、きわめて有害な活性酸素の発生が促進される。」
↑これってポーリング博士の名を使って日本語環境だけで広まってる話では?

 永島 健一 | 2013.04.04 18:40

コメントを入力してください
IHクッキングヒーターは強い電磁波が発生すると聞いていましたので使用していません。
ロシアで電子レンジが禁止さている事、および、電子レンジで食物を温めるとたんぱく質が変質する事、を知りました。携帯電話はできるだけ身体から離して使用するよう工夫しなけらばいけませんね。
貴重な資料、ありがとうございました。

 ぴのこ | 2013.04.13 23:17

みなさん、コメントありがとうございます☆
近々、改めてテーマとして「電磁波の人体への影響」を扱っていく予定ですので、楽しみにしていてください。

 ぴのこ | 2013.04.13 23:22

みなさん、コメントありがとうございます☆
近々、改めてテーマとして「電磁波の人体への影響」を扱っていく予定ですので、楽しみにしていてください。

 天変地異 | 2013.04.17 0:47

コメントを入力してください
生物のDNAは、マイクロ波を極めて吸収し易いため大変危険だ、と言う話を何かで読んだ事があります。つまり、生体がマイクロ波を浴びると、体内の水分が沸騰するだけでなく、DNAも損傷されてしまう!?と言うのです。
wi-fi等、無線LANに使用される電磁波は、マイクロ波と同じGHz(ギガヘルツ)帯を使用しているため、長時間の暴露は大変危険ではないかと思うのですが、いかがでしょうか?
wi-fiの出力(強度)は、携帯電話の1/10だから大丈夫!と別のサイトにありましたが、確かに電磁波が分子振動を加熱するだけならそうだと思います。加熱ではなく、例えば分子中の電子を弾き飛ばして発がん性のラジカルを生成したり、DNA中の塩基配列を狂わせたりする可能性はないのでしょうか?
この場合には、電磁波の強度ではなく、振動数に依存(光電効果?)するのではないかと思うのですが、いかがでしょう?放射線による低線量被曝程も電磁波のエネルギーは大きくないのかも知れませんが、この辺り、最新の知見等も交えて解説して頂けると助かります。

 ぴのこ | 2013.04.19 17:53

天変地異さん
コメント、ありがとうございます!
電磁波の人体への影響、気になりますね。
GW明けごろから、そういったテーマのシリーズをはじめる予定にしています。
私も、振動数というのは重要な視点だと考えています。
放射線のような強度があれば、細胞や原子は電離させられるほどの影響があり(電離層)、紫外線の強度では波長の合う電子が遷移するレベル。それ以下でも、波長さえ合えば電子を揺らされたり、何かしらの影響を与えているような予感があります。
シリーズをお楽しみになさってください。
また、何か有力な情報があれば、ぜひコメントにてお待ちしています。

 匿名 | 2013.05.05 16:27

電磁波は浴びている時間分だけ蓄積?

 匿名 | 2013.08.03 0:08

電磁波は浴びている時間分だけ蓄積というのは流石にありません。
電磁波というのは変化の伝播なので、何かに蓄積できたらそれこそ現在の電磁波関連の物理学がひっくり返ります。
電磁波の”影響”は残りますが、影響、つまり熱は自然に放熱されます。

 wave | 2014.01.14 15:31

はじめまして。
うちも電子レンジは使ってませんが、ロシアって今も禁止してるんでしょうか?
禁止されていたのは短期間であったという記述を他で見つけたのですが、こちらの記述だと今現在も禁止してるように受け止められると思いますが、実際はどうなのでしょうか?
よろしくお願いします。

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