不確定性原理

Werner Karl Heisenbergの不確定性原理 

測定が測定対象に与える影響によって測定値は一定の影響を受ける。 例えば、光学的手段で測定すると場合は、光子の持つ運動量が、測定対象に一定の影響を与える。 ただし、十分に大きな運動量や質量を持った物質を測定する場合は、測定誤差として片付けることができる。 一方で、量子力学のようなミクロの世界では、測定対象の運動量や質量が極めて小さいため、致命的な影響となる。 その結果として、量子力学の世界では、測定に一定の制約が生じる。

また、量子力学では、測定を行うことが測定対象の状態を大きく変えてしまうため、同じ現象を複数回測定することが困難となる。

不確定性原理の解釈は2通りある。 隠れた変数理論では、特定の量子の特定の時刻における可観測量(物理量)は、測定が困難なだけであって、決まった値を取るとされる。 一方で、測定していない可観測量は確定していないとする解釈もある。 今日では、コッヘン・シュペッカーの定理により、全ての可観測量が決まった値をもつことは不可能とされている。

相補性原理 

量子において運動量が単一の値をとる場合、波長も単一の値をとる。 波長が単一の値をとる場合、周波数も単一の値をとる。 単一の周波数の波動関数は無限の空間に広がりを持つ。

一点に集約する波動関数をフーリエ解析すると、広がった周波数成分を持つことがわかる。 広がった周波数成分を持つことは、波長に幅があることを意味する。 量子において波長に幅があることは、運動量に幅があることを意味する。

このように、波動関数の運動量を確定させると位置が不確定となり、波動関数の位置を確定させると運動量が不確定となる。 位置も運動量も確定した波動関数は作り出せない。