原子の大きさまで縮めることができたら、何が見えますか?

2022 年、3 人の物理学者が「不気味な」量子もつれに関する研究でノーベル物理学賞を受賞しました。 一部の量子シーカーは現在、亜原子の世界でハロウィーン パーティーを開くことを思い描いています。 そこで彼らは、想像力をかき立ててきた奇妙な量子効果を直接体験したいと考えています。

しかし、素粒子の世界はどのように見え、どのように感じられ、どのようにしてそこにたどり着くのでしょうか?

量子領域

良いニュースは、量子の世界が遠くないということです。 私たちはその中に住んでいます。 量子力学の理論は、私たちがよく知っている日常の世界を含む宇宙全体を説明しています。 ただし、巨視的なレベルでは、奇妙な量子効果は比較的弱く、認識が困難です。

ミネソタ大学の物理学教授であるジム・カカリオスは、量子の奇妙さを容易に体験するには、人間は原子ほどの大きさに縮まらなければならないだろうと述べています。 その問題は、すべての原子がほぼ同じサイズであり、それ自体が収縮できないことです。 人間は約 7 オクティリオンの原子で構成されており、これらの原子はすべて、原子 1 個のサイズのスペースに詰め込まなければなりません。 縮んだ人間は想像を絶するほど密度が高いでしょう。


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「[Humans] 宇宙の基本定数を変更して原子のサイズを変更する方法を見つけなければなりません。 それを行う方法はありません」とカカリオスは言います。

しかし、物理法則を回避して原子のサイズに縮小できたらどうなるでしょうか? 「そのサイズまで縮小すると、光との相互作用は、通常見ているものとは大きく異なります」とカカリオスは言います。 「私たちの目は 1 枚の写真を検出できました。 […] 連続したストリームではなく、すべてが静的で奇妙なものになります。 1 枚の光の写真は、ブリキの屋根に降る雨のように目に飛び込んできます。 それをどのように処理できるかは、言うのが非常に難しいです。」

人間の 2 つの目は、量子力学への道を私たちに導いたことで有名な 1800 年代初頭の科学者トーマス ヤングの二重スリット実験に匹敵するかもしれません。 20世紀に再検討された実験では、科学者は光が波であるか粒子の流れであるかを決定しようとし、実際に光が波と粒子の流れの両方として機能することを発見しました. 実験の 1 つのバージョンでは、一度に 1 つの光子がスリットを介して送信され、時間の経過とともにバリアの後ろの写真乾板に波のパターンが形成されました。

亜原子の世界で光が私たちの目に光子ごとに入ると、「この奇妙なぼやけが見えるかもしれません。デフォルトのパターンを見る前に、しばらく何かを見つめる必要があると思います。それでも、デフォルトのパターンは干渉パターンになります」とカカリオスは言います。

2 つの同一の粒子を一緒にして慎重に分離するときに発生するエンタングルメントは、量子領域で観察する方が簡単かもしれません。 「この 2 つの粒子は、離れていても 1 つの波動関数で表されます。 そして、1 つの粒子に何かを行うと、その効果はもう一方の粒子によって「即座に」感じられます。これは、1 つの単一の波動関数によって記述されているためです。」

しかし、Kakalios 氏は、将来のテクノロジーを考慮しても、このアイデアは非現実的であると述べています。

マイクロワールド

私たちは自分自身を量子領域に縮めることはできませんが、カリフォルニア工科大学の数理物理学者で科学顧問を務めたスピロス・ミハラキスは、 アントマン そして、映画の量子領域の発明者はある考えを持っています。 量子領域を私たちの規模に持ち込むのはどうですか?

「私たちはこの世界に生きており、 [and] マイクロワールドではなく、この世界でタイムトラベルしたいのです。 この世界にテレポートしたい。 私たちは地球上のこの世界に超大国を持ちたいと思っています。 科学は、これらすべてが可能であると言っています」とミハラキスは言います。

ミハラキス氏によると、量子領域は一種のハッキング可能な「現実のソース コード」です。 そして「量子物理学では、物事をつなぎ合わせる方法を知っていれば、想像できることは何でもできると言っています。 材料とレシピがあれば、何でも作ることができます」とミハラキスは言います。

Michalakis は、超大国、量子インターネット、現実の小さなレゴ ブロックを作成する物質の状態など、すべて量子領域から派生した量子工学の未来を思い描いています。

「私たちがやりたいのは、量子領域の巨視的なバージョンを作成することです」と Michalakis は言います。

しかし、スタンフォード大学の応用物理学教授である馬渕秀夫氏によると、「量子力学に組み込まれた特徴は、本当に奇妙なことはすべてボンネットの下でのみ発生するということであり、直接相互作用することはできません。 自分自身を原子のサイズに縮小することを想像できたとしても、粒子が 2 つの異なる位置の重ね合わせにあることを文字通り見たり感じたりすることはありません。 […] それはどのように見えるか、どのように感じますか? それは私たちが経験するように配線されているものではありません。」

マブチは、巨視的な等身大のテクノロジーが量子力学的な方法で動作することに懐疑的です。 「大きなものは、長期にわたって環境の干渉から完全に隔離する必要があります」と馬渕氏は言います。

しかし、仮想現実を使えば、高度な顕微鏡法を実現できるとマブチは考えています。 “あなたは出来る […] この科学機器を使用して、少なくとも一種の代理で、原子の世界でハロウィーン パーティーを開きます。 それは私が何かです […] いつか現実になるかもしれないと想像できました」とマブチは言います。

アントマンのように小さくなりたいと思うかもしれませんが、仮想現実技術はまだ実現していません。 量子奇妙な世界のような体験に最も近いのは、夜の森の中を散歩することかもしれません。

「月のない夜に森を歩き回ったことはありますか?」 イリノイ大学アーバナ シャンペーン校の物理学教授、ルーカス ワグナーはこう尋ねます。 「あなたの目は順応し、物事を見ることができます。 [but] 彼らはとても、とても暗いです。 物事の端がぼやけ始め、少し動いているように見えます」と彼は言います。 [in the quantum realm]」

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