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1個の電子を的に当てることはできますか？
電子の位置は、不確定性原理とかで、確率的にしか決まらないと聞きましたが、もし、そうだとすると、ある1個の電子を捕まえて、（鉄砲玉のように）定めた的に正確に当てるというようなことは不可能なのでしょうか？
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- moritan2
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> 物理学では、以下のものは、「物質」と考えられているのでしょうか、それとも「現象」 > と考えられているのでしょうか？ > > (1)電界、磁界 > (2)電磁波 > (3)光 > (4)重力 > > もし、これらが、「物質」ではなく、「現象」と考えられているのであれば、「電子」も > 「物質」ではなく「現象」のように思えるのですが、そう考えてよいでしょうか？ 物質の定義にもよりますが、普通は、フェルミオンに属する粒子が「物質」と考えられています。フェルミオンはフェルミ統計にしたがい、簡単に言えば小さな領域にたくさん詰め込むことができないという性質があります。その反対がボゾンでこれは小さな領域にいくらでもつめこめます。(1)～(4)はボゾンです。たとえば光はレーザーの出力を上げるとか、やろうと思えばいくらでも大きな密度にできます。一方電子はフェルミオンなので、そういうことはできません。
お礼
フェルミオンとボゾンという区別があるんですね。 たびたび、丁寧なご回答いただき、ありがとうございました。勉強になりました。
- Willyt
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>もし、これらが、「物質」ではなく、「現象」と考えられているのであれば、「電子」も「物質」ではなく「現象」のように思えるのですが、そう考えてよいでしょうか？ 横レスで申訳ないのですが(^_^;) すべて現象であると云っていいのではないでしょうか。質量はmC^2で表わされるエネルギーでしかないのですからね。また、実体についてはシュレジンジャーの猫という面白い思考実験があります。ちょっと残酷なんですがね(^_-)
お礼
ご回答ありがとうございました。
- maekawadesu
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日常的なスケールでは、「電子雲」のような「イメージ」よりも、「粒子としての電子」のほうが「イメージ」しやすいと考えればよいのではないでしょうか。 「的」の大きさが目で見える程度の大きさで、電子の運動が（ブラウン管の電子銃みたいに）放電現象並みに速い運動であれば「まず間違いなくあたる」と言えると思います。ただ、無数（数えることは不可能なほど多い）の電子の中のいくつかは的を外れる「可能性」があるいえます。 ちなみに、「電子の実体」という表現ですが、電子に大きさや内部構造のない素粒子ですので、実体は粒子と言うより、もやっとしたエネルギーのかたまりだと思います。
補足
ご回答ありがとうございました。 ＞電子に大きさや内部構造のない素粒子ですので このように書いていただくと、大変わかりやすいのですが、一般の科学書などには、電子の大きさは、１０のマイナス何乗だとかいう話がよく書いてあるので、私のような素人は、じゃ、実体があるんじゃないかと誤解してしまいます。電子は、大きさゼロだと何故、はっきり書かないのでしょうか？
- metzner
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#8です。 Q:この意味は、確率分布である以上、一個の電子を見る限り、運動エネルギーがどうなるかは不確定だけれど、そのような電子が、ものすごくたくさん集まれば、統計的には、一定の値に落ち着くという意味と考えていいのでしょうか？ A:まさにおっしゃる通りだと思います。 Q：そうだとすると、「サイコロ」と同じように思えるのですが。 A：そう言われれば、まさにそうですね。私が言いたかったことは、何もかもが不確定であるわけではないということでした。蛇足ですが、その背後の決定論的に決まる「確率分布」がある値でのみ鋭いピークを持つ状態が古典力学の状態です。そういう意味(極限)で量子力学は古典力学を内包しています。
お礼
たびたび、ていねいなご回答をいただき、大変ありがとうございました。
- tomoki356
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お返事をありがとうございます。こういう一般の方の質問って、とても新鮮で、興味深いです＾＾ >特定の位置にじっと静止している電子というのは、存在不可能なのでしょうか？もし、不可能だとすると、それは、何故ですか？ 存在不可能なのです。「じっと静止」＝「運動量ゼロ＆位置も確定」ということで、不確定関係を破りますから。この質問は『不確定原理が成り立つのは何故ですか』という質問そのものなのですよ。「それが微視的な粒子の運動の基本原理だから」、としか答えようがありません。それは、例えば古典力学で、ニュートン方程式がなぜ成り立つか、という質問と同じです。 >電子の運動量は、何により決まるのでしょうか？ ある位置に粒子を固定させた状態を言い換えると、それは実はあらゆる（うんと低い～うんと高い）運動エネルギー状態の重ね合わせなのです。小さな箱に閉じ込められた電子を、なんらかの方法で取り出して放つと、ある時はとても遅く走った。。でも次の機会にはとても速く走った。。という状態です。 とってもヘンですよね。勉強が進むと、もっとヘンですよ！自分で自分に干渉して（ぶつかって）運動する方向を制限してしまうとか。。 質問者様は、量子論的運動を古典力学的に理解したいようですが、このようにそれはできず、古典論を凌ぐ豊かな運動を内包していることにお気づきください。
補足
ご回答ありがとうございました。 ＞存在不可能なのです。 ということは、電子が壁にぶつかって、壁がエネルギーを貰っても、電子はエネルギーを失わないということでしょうか？ それだと、永久機関が出来てしまいませんか？ ＞とってもヘンですよね。勉強が進むと、もっとヘンですよ！自分で自分に干渉して（ぶつかって）運動する方向を制限してしまうとか。 確かに、とってもヘンなんですけど、常識的に考えて、一番奇異に思うのは、何故、「電子という物質」が存在しているということを初めから前提にして考えるのでしょうか？ 実際には、そんなものは存在しないのではないでしょうか？素人考えですが、電子というのは、重心と同じで、何か物質的実体があるわけではなく、物理現象を説明するために仮想的に考えられたものに過ぎないのではないでしょうか？ そう考えれば、波の性質と粒子の性質を合わせ持つとか、確率的に存在するとか、常識的にわかりにくいことも、きれいさっぱり片付くと思うのですが？ 何故、物理学者は、わざわざ、電子という実体があるのだと考えるのでしょうか？ まさか、素人を煙にまくためではないと思うのですが。
- metzner
- ベストアンサー率60% (69/114)
#7です。追加質問に回答いたします。 Q：電子の速度が変わると、電子の持つ運動エネルギーも変わるように思うのですが、速度が不確定ということは、電子の運動エネルギーも不確定ということですか？ A：「位置が確定した状態」ではもちろん運動エネルギー も不確定です。 Q：もし、そうだとすると、電子の運動エネルギーは、何らかの因果関係によらずに、ランダムに変化するということでしょうか？ A：違います。電子の運動エネルギーの分布関数の時間変化は因果律に従い変化します。量子力学ではある意味、確率分布(本当はその平方根みたいな波動関数)の時間発展を規定していて、それはぴたりと予言できます。ただ実際の観測値は、そのぴたりと予言できる確率分布に従って観測されるとしか言えないということだけのことです。だから得られる測定値が確率的であって、ここのところがアインシュタインのいう「サイコロ」ということです。確率分布(波動関数)は「サイコロ」で動いていません。原理的に確定運動です。 あと力学では、初期状態とその後の時間発展は概念として区別する必要があります。力学は「初期状態」を 外部から与えるものとして「不問」にした所が成功の 鍵です。まさに「知るを知るとし、知らずを知らずとせよ」ということです。(初期状態を指定してもらわないとその後については答えようがないということです) 他の学問は人間が感知できない事、たとえば 初期のことに色々と仮設を立てるので対立する仮設と論争がいつまでもつづき、さらに検証もできないということです。 状態についてですが、古典力学の状態は(位置、速度)のペアです。量子力学の状態は波動関数です。ちいさな世界では位置と速度が両立しないのです。これは自然がそう要求するだけのことで「なぜ」かは答えられませんし 特に感知するところではないのです。 (位置と速度が両立しない事をどのように人間が知り得たかは啓蒙書に色々と書かれています)
補足
ご回答ありがとうございました。 ＞確率分布(波動関数)は「サイコロ」で動いていません。原理的に確定運動です。 この意味は、確率分布である以上、一個の電子を見る限り、運動エネルギーがどうなるかは不確定だけれど、そのような電子が、ものすごくたくさん集まれば、統計的には、一定の値に落ち着くという意味と考えていいのでしょうか？そうだとすると、「サイコロ」と同じように思えるのですが。
- metzner
- ベストアンサー率60% (69/114)
#1です。質問の意味が分りました。原理的なお話しですね。 Q：はじめ位置が正確(orある程度正確)に分った状態から出発してある時刻後にどの位置にあるかぴったりと予言できるか? A：できない。 初期に位置が確定しているという状態 はまさに不確定性原理と関係してさまざまな速度(運動量)の状態がすべて重ね合わさった状態です(#6さんのご指摘どおりです)。だからこの状態をある時間たって見ると、はじめにさまざまな速度が含まれた状態だったので、ある時間後には、さまざまな位置にいってします。だから位置の分布はぼやけてしまいます。すなわちある位置にどれだけの確率でいるかということしか言えない。まとめると古典力学では位置と速度を二つ正確に確定した状態を指定することが原理的に可能だから、ある時刻に何処にいるかぴたりと予言できる。量子力学では位置を指定すると速度は不確定になりそれは原理的に不可能になる。 Q：その確率を図示したもの、すなわち、あくまで、数学的にしか存在しない図が、何故、写真に現れるのでしょうか？ A：まず雲みたいのが写真にとれるというのは一度の 実験で得られるわけではないということに注意してください。あれは多数回同じ実験をして得られる写真です。雲みたいなのは確率分布をあらわしているので、独立な実験を多数するとその確率分布が得られるわけです。すなわち雲みたいな写真が得られるわけです。
補足
ご回答ありがとうございました。 ＞量子力学では位置を指定すると速度は不確定になりそれは原理的に不可能になる。 素人考えですが、電子の速度が変わると、電子の持つ運動エネルギーも変わるように思うのですが、速度が不確定ということは、電子の運動エネルギーも不確定ということですか？ もし、そうだとすると、電子の運動エネルギーは、何らかの因果関係によらずに、ランダムに変化するということでしょうか？
- tomoki356
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こんにちは。「ある1個の電子を捕まえて」の意味が、「電子の位置をある時刻に厳密に指定して」ということなら、「不可能」です。 一つの電子の位置を厳密に定めてしまうと、その電子の運動量はまったく定まらない＝あらゆる方向に向かって、あらゆる速度で飛んでいく可能性を残します。不確定性とはそういうことです。 因みに、電子のような小さい物を小さな箱に閉じ込めようとすると、大きな圧力をかけなくてはなりません。一粒の電子を1オングストロームの大きさの箱の中に入れると、圧力は1000000気圧くらいになるかな。「捕まえる」のも容易ではないですね。笑）
補足
ご回答ありがとうございました。 ＞一つの電子の位置を厳密に定めてしまうと、その電子の運動量はまったく定まらない＝あらゆる方向に向かって、あらゆる速度で飛んでいく可能性を残します。不確定性とはそういうことです。 電子の運動量は、何により決まるのでしょうか？ 特定の位置にじっと静止している電子というのは、存在不可能なのでしょうか？もし、不可能だとすると、それは、何故ですか？
- Willyt
- ベストアンサー率25% (2858/11131)
>「観測する事ができない」ということは、そもそも、電子は、その位置を観測できないという意味ですか？ もし、そうだとすると、位置を確認できないものの存在をどうやって認識できたのでしょうか？ 不確定性原理では位置を観測できないとは云っていません。存在は確認できるのですが、電子の位置と運動量、つまりは速度とを両方を同時にきっちりと特定することができず、あっち立てればこっちが立たずの関係にあると主張しているのです。ですから電子を観測すると電子雲と云ってピント外れの写真のような姿になってしまうのです。ですからそれが果たして的に当たったのか当たらなかったのかは判らなくなってしまいます。そこでそのぼやっとした雲が的の中に入る確率は的がおおきくなればなるほど大きくなりますが、それが１、つまり当たったと断言できるためには的が無限に大きくなる必要があります。ですからいくら正確な機材を使って観測しても、確率１で当たった、当たらなかったと断言することは不可能だということです。飽くまで当たったらしいでしかないのです。 余談になりますが、アインシュタインは不確定性原理を最後まで認めなかったのです。最後に『神は物事をサイコロで決めるようなシステムに作った筈がない。』と、捨て台詞のような言葉を残してボーアを筆頭とするグループとの論爭に終止符を打ったそうです。 この論爭は観客の見るところ、ボーア派に有利と判定したようなのですが、それは真実が確定したというわけではありません。科学は演繹でしか証明できませんから、一つでもこの主張を覆す事実が見つかれば真実は途端に真実ではなくなるのです。 ですからアインシュタインは不確定性原理をくつがえすと思われる思考実験を一つ考えてそれを提示し、ボーア派はその思考実験が原理を覆すものではないことを明らかにするという論爭を繰り返したのです。
補足
ご回答ありがとうございました。 ＞ですから電子を観測すると電子雲と云ってピント外れの写真のような姿になってしまうのです。 電子雲については、前から不思議に思っていたのですが、「電子雲」というのは、電子の形が雲のようになっているわけではなく、あくまで、電子の存在確率を図示しているに過ぎないのではないでしょうか？ もし、そうだとるすると、その確率を図示したもの、すなわち、あくまで、数学的にしか存在しない図が、何故、写真に現れるのでしょうか？ 専門外なので、変な質問だったら、済みません。
- Willyt
- ベストアンサー率25% (2858/11131)
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補足
ご回答ありがとうございました。 済みません。私の使った「実体」という言葉が適切でなかったようです。「物質」と言うべきでした。 物理学では、以下のものは、「物質」と考えられているのでしょうか、それとも「現象」と考えられているのでしょうか？ (1)電界、磁界 (2)電磁波 (3)光 (4)重力 もし、これらが、「物質」ではなく、「現象」と考えられているのであれば、「電子」も「物質」ではなく「現象」のように思えるのですが、そう考えてよいでしょうか？