量子物理学は、私たちの世界と人生を最小スケールで説明します。このレベルでは、私たちが日常生活で知っている物理法則は当てはまりません。その代わりに、実験では、突然のジャンプ、奇妙なカップル、タイムトラベルに至るまで、さまざまな奇妙な現象が実証されました。たとえば、量子粒子は、特殊な状況下では一見乗り越えられない障壁を乗り越えることができます。これは、いわゆる量子トンネルを通じて実現されます。しかし、理論的な予備研究にもかかわらず、これまで誰もトンネル効果を実験で実証できませんでした。あるチームがやってくれました。それが可能だったわけです。
量子物理学: これは量子トンネルです
私たちが世界を記述するために使用する物理学は量子物理学ではありません。私たちの日常生活には、分子レベルであっても非常に明確なルールと境界があります。たとえば、粒子は複数の障壁や障害物を乗り越える必要がありますが、必要なエネルギーがなければ乗り越えることはできません。それは、備えなしにアルプスを越えることを決めた場合と同じです。山の向こう側には行けない可能性が高いです。
しかし、さらに小さいレベル、つまり量子レベルに行くと、状況は再び完全に異なって見えます。ここでは、粒子は境界を簡単に乗り越えることができるように見えます。これまで、量子トンネルはこの不可能な粒子の旅を可能にする理論的な概念と考えられていました。
この理論はドイツの物理学者フリードリヒ・フントに遡るとサイエンティフィック・アメリカン紙は述べている。 1920 年代の研究中に、彼は量子物理学におけるこの「トンネルの旅」が理論的に可能であることを発見しました。彼はまた、現実の粒子よりも小さい量子粒子を定義しました。彼らの特殊な特性により、今日に至るまで研究が続けられており、乗り越えられない障壁の向こう側など、どこにでも現れることができます。
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量子トンネル効果を示す実験
これまで、量子物理学のトンネル効果を実験で可視化することはほぼ不可能と考えられていました。量子トンネルは非常にまれな現象である一方で、移行は非常にゆっくりと起こります。さらに、この理論には実験設定を設計するための数学的ツールも欠けています。分子物理学者ローランド・ウェスター率いる研究チームは不可能を達成した。ウェスターは、自分が乗り越えた課題について次の言葉で説明しています。
「3つの原子[間の反応]でそれができます。原子が 4 つあると、それを処理できるグループがいくつかあります。そして原子が 5 つあるため、これを完全に量子的に行う手段を持っている人は基本的に世界中に存在しません。」
分子物理学者ローランド・ウェスター
そこで研究グループは、水素ガスと重水素イオンの反応を利用して量子トンネリングを検出することにした。理論物理学者のヴィアチェスラフ・ココウリンは、すでに反応速度の数学的計算を行っていました。したがって、理論的根拠を現実と比較することができます。
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速度が合わなかった
しかし、今度はさまざまな試みが失敗に終わりました。計算された数値は単純に一致しませんでした。 Kokoouline らは 3 つの異なるアプローチを試した結果、次のことを確信しました。この効果が量子物理学で発生するのであれば、それは計算された反応速度によるものであるということです。
ウェスターと彼のチームが最終的に解決策を見つけるまでには、最終的に 15 年かかりました。最新の実験では、研究者らは一種の電気かごの中で重水素イオンを捕捉した。水素ガスを流した後、テスト環境を 15 ケルビン (摂氏 -258.15 度に相当) まで冷却しました。このような条件下では、イオンとガスは単独では相互に反応できません。トンネルを作らなければなりません。研究者らは熱心に反応を待ち、同時に速度を測定した。
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熱狂的な待ち時間の15分
15分待っても、粒子の一部だけが相互に反応しました。量子物理学における効果は、1,000 億回の衝突に 1 回しか実証されません。しかし、それは数学的基礎が一貫していることも意味するので、優れています。
2018年にココオリンとともに計算を行ったアイザック・ユエン氏は、「数値が実験と一致するのは非常に驚くべきことだ」と語る。「理論家として、これは大きな勝利のように感じられる」と語った。
両チームの研究者はその進歩を祝っています。結局のところ、この実験は、私たちが量子物理学の複雑な世界を理解することができ、数学に関してもそれを少しずつ説明できる正しい軌道に乗っていることを示しています。研究リーダーで物理学者のステファン・シュレンマーは、次のように要約しています。「私たちの通常の古典粒子の世界では、反応はいくつかの非常に単純な概念で理解できます。しかし、このトンネル工事はまさに別世界だ。そして、そのような測定によって、この世界が私たちに開かれます。」
出典：サイエンティフィック・アメリカン