量子力学
原子の部品が電子です。 同じ電子なのに、それがいくつ結びつくかの差だけで、あらゆる種類の原子を作れます。 このような特異な性質をもった部品のことを「量子」と呼びます。その「量子」の物理法則なので、「量子力学」と言うのです。
量子とは
波は物質ではなくて「状態」です。「物質」のある「状態」が波です。 原子より大きい世界では、このように「物質」と「状態」をはっきりと区別できますが、原子より小さい世界では、そのような区分ができません。電子は「物質」ではなくて「状態」です。 ただし、海の「波」の場合の「海水」にあたる物質がありません。
粒子性（物質の性質）と波動性（状態の性質）を併せ持つ、このような特殊な存在を、 普通の物質と区別するため「量子」(quantum) と呼びます。 その「量子」を研究するのが「量子力学」です。電子は「量子」の代表格です。
原子の内側にあるものは、「部品」ではなくて「量子」です。 量子とは、単に「小さい」だけではなくて、原子より大きい世界に存在する「物質」とは振る舞いが異なります。 電子は「量子」なので、「電子１個だと水素、２個ならヘリウム・・・」という、物質の世界では起こらないような現象が生じます。
電子は波のような「波動性」を持っています。
電子が、どのような形の波動になっているのか、それを数学の関数の形で記述したものを 「波動関数」と呼びます。
電子は「波だけ」ですから、その波の状態を表す「波動関数」がわかれば、「電子」を理解できるはずです。
波動関数を知るためには、波動方程式という名前の方程式を解く必要があります。 これを解くと、 その答えとして波動関数が得られます。
その方程式を解くために、「作用素」と「固有状態」を使います。
波動方程式とは
波動方程式とは、いったいどんな形なのでしょうか。 発案した学者の名前を冠して「シュレディンガー方程式」と呼ばれます。
この方程式の解として、「波動関数」を得ることができます。
「波動関数は、固有状態になっている」 というのが、この方程式の意味です。
方程式ですから、未知数を含みます。どれが未知かといえば波動関数です。どうやって解くのかというと、順番に適当な形の関数を作用素に作用させてみて、その結果が元の関数と同じ形になるかをチェックすればよいのです。 もちろん、ほとんどの場合、同じ形にはなりません。しかし、たくさん試行を続ければ、このチェックを通過する関数に遭遇します。そのとき方程式は解けたことになります。その関数が求める「波動関数」です。
固有状態は本質を表します。固有状態である波動関数は電子の本質を表します。 固有状態になれないような関数は、電子の波動関数ではありません。
一言でいえば、「固有状態である波動関数を探すのが量子力学」なのです。
どんな関数であれ、何らかの作用素の作用を受ければ、変化する方が「普通」で、作用した結果が入力と一致するというのは「特殊」な場合と考えられます。 それなのに、電子の波動関数は、必ず固有状態になることがわかっています。
「特殊な状態」のはずの固有状態が、量子の世界では「普通」になります。 「普通」と｢特殊」がひっくり返る、この感覚は重要です。 従来の物理学が発展して量子力学に辿り着くのではなく、それまでの常識を逆転したような形になっています。
この「固有状態」という概念には、さらに深い意味が隠されています。
量子力学の一つの解釈によると、量子的実在を全宇宙の構造から切り離して記述することはできず、個々の粒子の状態は、全世界との関係で考えられたときに初めて意味をもつ。量子物理学では、観測者の行為は付随的なものではなく、量子力学の記述には、観測者の行為が不可分な形で入ってくる。観測という行為を通じて、われわれと量子的世界とは不可分につながっていて、両者を分離して考えることはできない。個々の物質の粒子は、それだけでは基本的なものとして記述することができず、測定装置を含めて、全体として取り扱われた全粒子の集団としてのみ存在しうる。粒子は、観測者を含めた全体との関連においてのみ認識されるのである。量子力学では、観測主体と観測対象の分離が許されない。自然科学は、客観的観測者として自然に向き合っているのではなく、それは、自然と人間の相互作用である。マクロの世界とミクロの世界は密接に関連しており、構成粒子だけから物質の完全な理解を構成することはできない。全体としての系のみが、微視的な存在の具体的な表現を与えることができる。したがって、素粒子が集まって大きな物をつくるというよりも、世界を関係のネットワークとしてとらえる方が正確である。 宇宙は対象物の集まりではなく、振動するエネルギーパターンが分かちがたく織り成した織物で、その中のどの要素も全体と独立した存在ではないのである。宇宙を構成する原子に具体的実在性を与えるためには、その前に全体としての宇宙が必要である。宇宙は部分の総和ではなく、宇宙には一体性があるのである。全体が部分を支え、部分が全体をつくる。宇宙と原子は互いに他を支えており、この二つは世界の分離できない両面である。大と小が共存し、一方が他方を全体的に包含することもできなければ、一方が他方を全体的に説明することもできない。微視的世界と巨視的世界は絡まりあい、決して分離できないものである。そうだとしても、次の事実は明確である。世界のすべての現象が、全宇宙のこれらの構成要素と相互作用に帰せられる。現在の科学は完全というには程遠い状況にあるが、今日でもいくつかの基本粒子と相互作用によって、非常に多くの現象が説明されている。世界についての科学的な理解は、いわば緒についたばかりである。体系的・組織的な科学の研究が始まってから、まだたった数百年しか経過していない。今後の科学の発展により、いずれはすべての自然現象が、少数の構成要素といくつかの法則とによって理解されるようになる、と考えるのも理由のないことではない。
不確定性原理
素粒子の位置と運動量の測定精度の間には、不確定性原理が成り立つ。不確定性原理［ΔｐΔχ＞ｈ／（２π）］において、Δｐは運動量の不確定さ、Δχは位置の不確定さ、そしてｈはプランク定数である。いくら測定の器具や技術を磨いても、二つの量の正確さは、原理的にプランク定数の限界を超えることができない。このことは、位置の測定を正確にするには運動量の正確さを犠牲にし、運動量を正確に測定するためには位置の正確さを犠牲にしなければならない、ということを意味する。一方の属性を完全に正確に測定（Δｐ＝０）すれば、他方の知識は完全に失われて（Δχ＝∞）しまう。このようにして、予測に必要な粒子の位置と速度を、両方とも正確に知ることはできないのである。位置と運動量の不確定性の関係は、ミクロの世界の法則の一つである。相互作用の時刻の不確定さ（Δｔ）とエネルギーの不確定さ（ΔE）との間にも、同じ関係がある。
量子力学が創り出す不思議な世界 量子テレポーテーション
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