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Nov 07, 2023

古典的な最小作用原理が量子の領域に存在するようになった

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研究者らは、物理学の基本法則が量子の領域にも適用されることを証明しました。

最小アクションの原則では、オブジェクトは (干渉されない限り) 常に最小のアクションを必要とするルートに沿って移動します。

日常の物理学のすべての法則が量子粒子に当てはまるわけではありませんが、新しい研究による困難な測定結果によると、この規則は確かに当てはまります。

2 点間の最短距離は直線ですが、最短距離だからといって作業量が最小になるとは限りません。 その距離がまっすぐな上り坂、または困難な地形を通過する場合はどうなるでしょうか? 最小限の作業を実行したい場合は、直線が常に最善の策であるとは限りません。

人間は常に最も楽な道を探しているわけではないかもしれません。 しかし、システム内の自然な動きに関しては、基本的な物理法則の 1 つにより、物体は常に最小限のアクションを必要とするルートに沿って移動するということになります。 物理学では、「作用」はエネルギー、運動量、距離、時間などに関係します。

基本的に、外部からの介入がなければ、オブジェクトは最も抵抗が少なく、変化が最も少ない経路に沿って移動します。 これを最小作用の原理といいます。 私たちはそれが日常の世界に当てはまることを知っていますが、新しい研究のおかげで、それが量子の世界にも当てはまることがわかりました。

「物理学者の究極の夢は、宇宙全体の秘密を小さな紙に書き記すことであり、最小作用原理がそのリストに載っていなければならない」と、このプロジェクトの研究者の一人であるシー・リャン氏は、新人科学者。 「私たちの野望は、量子実験で[原理を]『見る』ことでした。」

言うは易く行うは難し。 華南師範大学の研究チームは、量子領域のすべてが小さくて見えにくいだけでなく、量子粒子の動きが複雑で、本当に複雑であるという事実と闘わなければなりませんでした。 まず、量子の状態は測定されると変化します。 そしてもう 1 つは、非常に複雑な数学を使用しないとマッピングできないことです。

彼らの行動を最もよく説明するために、科学者は波動関数と伝播関数という 2 つのものの組み合わせを使用します。 波動関数は粒子の状態を記述し、伝播関数はシステム内で粒子が移動する過程でその状態がどのように変化するかを記述します。 問題は、波動関数と伝播関数は純粋に数学的であり、量子粒子の動作を記述するのには優れていますが、多くの場合、虚数を使用して記述されることです。 虚数は数学では問題ありませんが、定義上、測定することは不可能です。

この問題を回避するために、チームは数年前に確立された手法を使用しました。 この技術では、基本的に、ミラー、クリスタル、レンズの迷路を通して、フォトンと呼ばれる個々の量子光粒子を反射およびフィルタリングします。 最終的には、虚数によって記述される光子の挙動の部分が、実際の測定可能な特性に対応することになります。 本来は通常の実数で記述されていた部分も測定可能となり、研究者は実際の測定データから波形や伝播体を再構築できるようになる。

迷路が構築されると、研究者らはその技術を開発した新しい技術と組み合わせて、「観測時の量子状態変化」問題をほぼ回避しました。 次に、迷路を通して個々の光子を送り、その挙動を最小作用原理によって予測される挙動と比較したところ、現実が理論と一致していることがわかり、量子粒子が実際にその原理に従っていることが証明されました。

「この実験での測定結果は非常に信じられないほどであり、量子物理学の現在の理解に疑問を呈するものではない」と、この研究には関与していない量子科学研究者のジョナサン・リーチ氏はニュー・サイエンティスト誌の記事で述べた。 「この理論が実験で現実になるのを見るのは素晴らしいことです。」

量子の世界と日常の世界が噛み合わない場所はたくさんあります。 これが、研究者が現在の物理学の標準モデルの改良を今も模索している理由の 1 つです。 しかし、できる限り行動を避けたいという彼らの願望の中で、量子と日常は完全に同期しています。

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