確率がマイナス？

2009年10月号の日経サイエンスに、面白い記事があります。
　
存在確率マイナス1の粒子が、あるというのです。

　通帳がマイナスにならないよう、気をつけなくちゃ。

ここで言うマイナスは、意味が違いますよ。

エネルギーがマイナス、なんですよ。

　焼肉食べて、スタミナつけなくっちゃ。

そういうエネルギーでは、ないですよ。

エネルギーの向き、なんです。

　それだったら、反物質・・・。

存在確率マイナス1の話題は、反物質にはないですよ。

質量もマイナス、だというのです。

　質量と重量って、どう使い分けるの。

地球上では、混同してもあまり問題ないです。

ただ、無重力などを考えると違いを知らないと混乱します。

質量は、物質量のことです。

重量は、物質量を特定の重力の元で測った数値のことです。

　無重力では、無重量になるけど、無質量ではないというわけですよね。

　プラスの重量は、普段気にしてる体重なんかそうですよね。

　この体重は、地球の引力の元で測ってます。

でも、月で測ると軽くなります。

　あ、だから一定の数値になる質量がマイナスといってる。

　引力で測ると、プラスの数値でしょ。

　斥力で測ると、マイナスの数値でしょ。

重力を引力だけ考える、通常の発想では行き詰まりそうですねえ。

　少なくとも、複素数とは関連ありそうね。

あるでしょうねえ。

　プラスの存在確率は実数、マイナスの存在確率は虚数、あわせて複素数なのかな。

プラスを作用と見れば、マイナスは反作用でしょ。

　プラスを引力と見れば、マイナスは斥力で良さそうですね。

　一つの粒子を、引力と斥力から質量などを測るということかしら。

　いったい、どこからこんな発想が出たの。

観察についての理論から出てきた、話なのですよ。

　量子力学では、観察すると位置か運動量か、しか見えないのでしょ。

ところが、もっと詳しい情報が得られる観察法があるというのです。

それが、弱い測定といわれる手法です。

イスラエルのテルアビブ大学名誉教授ヤキール・アハラノフ(Yakir Aharanov)が、言い出しました。
アハラノフはテルアビブ大学のほか、米国のイェシーバー大学、サウスカロライナ大学でも教えているそうです。

1932年イスラエル生まれで、1959年に量子力学の黎明期を築いたボームとともに、後にアハラノフ・ボーム効果と呼ばれる現象が起きることを予言したので有名な人です。
アハラノフ・ボーム効果は、1980年代に日本の外村彰によって実証され、世界的に注目を集めました。

　簡単に言ってね。
　難しいと、いや。

そういう難しいこと、また言いますか。

　言うもん。

1988年に物理学者ヤキール・アハラノフは、風変わりな提案をしました。
物質の量子力学的な状態を壊さずに、その状態を観測することができるといいます。

量子力学によれば、物質は相反する状態を同時に実現しています。

　量子というのは、粒子であるとともに、波でもあるということですね。

1個の光子は、右と左に同時に進みます。

　光子に限らず、量子力学的な粒子はそうなのでしょ。

そのようですね。

　進むのは、上と下だって良いでしょ。

良いでしょうね。

1個の電子は、あちこちに同時に存在し得るとされます。

　まるで、一個の電子で雲みたいになる。

ええ、確率の雲と呼ばれますね。

　いくつもの確率を重ね合わせたので、確率の雲になるの。

それを、量子的な多重状態といいます。

ただし観測した時に見えるのは、複数ある可能性からたった1つだけです。
ほかの姿は、観測の瞬間に消えてしまいます。

　たった一つの可能性が選ばれたから、ほかの可能性は消えるわけね。

　複数のお見合い相手から、一人を選ぶようなことだったりして。

たとえとして、微妙ですねえ。

重ね合わせとして現れる量子的な多重状態を壊さず、確率の重なった状態をすべて見ることは不可能とされてきました。

　確率の雲は、どんな状態なのかわからない。

重ね合わせを普通に観測すると強く影響を与えてしまうので、ヤキール・アハラノフは「強い観測」と呼びました。
普通に観測すると、毎回違う結果がランダムに現れてしまいます。

　それは別に不思議なところのない、ごく普通の物理現象ですか。

物理学の“常識”とされてきました。

それに対してアハラノフは、「弱い測定」をすることを主張しました。
観測対象をごく弱く何度も測定すれば、重ね合わせを壊さずにすべての状態を見ることができるというのです。

　弱い測定を用いれば、重ね合わせの結果として生じる量子現象を見ることができるのですか。

量子力学では、存在確率を波としてとらえ「確率波」と呼んだりします。
例えば、複数の確率波によって粒子１個が作り出す干渉を壊さずに、それをもたらした重ね合わせを見ることができます。

　一つの粒子の確率波が、干渉を起こすのですか。
　
　あ、そうか。

　光の量子である光子が、波の性質を現して干渉を起こすでしょ。
　電子でも、干渉は起きるのでしたね。
　
　一つの粒子が、同時に左右に行ったり、上下に行ったりするからね。

　物質の基本粒子としての量子も、波の性質を現して干渉を起こすのですね。

重ね合わせの結果として生じる量子現象の中から、ある特定の初期状態で始まり、特定の最終結果で終わる場合だけを抜き出します。
ある特定の初期状態で始まり、特定の最終結果で終わる場合の中間の重ね合わせを弱い測定で観測すると、極めて奇妙な現象が見えてくるといいます。

　熱愛情報のある有名人の密会現場を、時間をかけて密かに調べて関係を確かめるようなことだったりして。
　直接聞いたって、とぼけられたり、関係が終わったりしちゃうかもしれないしね。

　無駄足も多いけど、何度も密会を確認すれば熱愛情報は確かだった可能性は高いようなことかしら。

あなたって、そういう微妙なたとえ、好きですねえ。

　興味あるもん。

例えば干渉計の中に飛び込んだ粒子がある場所を通る確率が、「マイナス１」という負の値になる、などです。
こうした不思議な現象を、アハラノフは次々と予言しました。
　
もっとも、アハラノフ自身は「存在確率マイナス1」という言い方を避けたがってますけどね。
干渉計の中をマイナス一個の粒子が通るかのような誤解を、嫌ったのです。

　そして、エネルギーや質量がマイナスになることを、はっきり言って欲しいということね。
　
　干渉計の中に飛び込んだ粒子がある場所を通る確率が、「マイナス１」という負の値になるという言い方も改めたほうが良いかしら。

　干渉計の中に飛び込んだある場所を通る粒子が、存在確率「マイナス１」という負の値になる場合があると。

一つの粒子を、ある状態で存在する確率を調べると、「マイナス１」という負の値になる場合があるということでしょうかねえ。

　作用と反作用が重なり合う状態を、調べるのでしょうか。
　作用と仮定した状態に対して反作用になる状態を、「マイナス１」と呼んだのだったりして。

プラス1に対して反対になるからマイナス1とすれば、作用と反作用が重なり合う状態を調べるとみても良さそうですね。

　やはり、複素数と関係してきそうですね。

そのうち、複素数が議論にでてくるかも。

　これって、陰陽なのかしら。

マイナス1の存在確率とプラス1の存在確率が、陰陽だったら面白いですね。