What is the Heisenberg Uncertainty Principle? - Chad Orzel

ハイゼンベルクの不確定性原理とは何か？- チャド・オーゼル

翻訳: Misaki Sato 校正: Tomoyuki Suzuki

The Heisenberg Uncertainty Principle is one of a handful of ideas

ハイゼンベルクの不確定性原理とは 量子力学に端を発し

from quantum physics to expand into general pop culture.

ポップカルチャーにまで浸透した 思想の一つです

It says that you can never simultaneously know the exact position

それによると物質の 正確な位置と正確な速度を

and the exact speed of an object and shows up as a metaphor in everything

同時に知ることは不可能であり また あらゆることの比喩として

from literary criticism to sports commentary.

文芸評論やスポーツのコメントにも 使われています

Uncertainty is often explained as a result of measurement,

この不確定性は通常 測定によってもたらされたとされ

that the act of measuring an object's position changes its speed, or vice versa.

物質の位置を測定すると 速度を変えてしまう その逆も然りです

The real origin is much deeper and more amazing.

本当の起源はもっと深遠であり 驚くべきものです

The Uncertainty Principle exists because everything in the universe

不確定性原理は この世のあらゆるものが

behaves like both a particle and a wave at the same time.

同時に粒子としても波としても 振る舞うがゆえに存在します

In quantum mechanics, the exact position and exact speed of an object

量子力学においては正確な位置と 物質の正確な速度というものには

have no meaning.

意味がありません

To understand this,

これを理解するには

we need to think about what it means to behave like a particle or a wave.

粒子や波のように振る舞うという意味を 考えてみる必要があります

Particles, by definition, exist in a single place at any instant in time.

粒子はある瞬間に 一か所に存在するものだと定義されます

We can represent this by a graph showing the probability of finding

これは特定の場所で 物質が見つかる確率を表す

the object at a particular place, which looks like a spike,

スパイク状のグラフで表すことができるため

100% at one specific position, and zero everywhere else.

ある位置で見つかる確率は100% 残りの場所では０となります

Waves, on the other hand, are disturbances spread out in space,

一方 波は湖面の波紋のように

like ripples covering the surface of a pond.

空間に広がっているのです

We can clearly identify features of the wave pattern as a whole,

人は波のパターンをはっきりと とらえることはできますが

most importantly, its wavelength,

最も大切なのは その波長であり

which is the distance between two neighboring peaks,

これは波が持つ並んだ ２つの山の間の距離 または

or two neighboring valleys.

２つの谷間の距離でもあります

But we can't assign it a single position.

しかし 一つの場所に 特定する事はできません

It has a good probability of being in lots of different places.

様々な別の場所にも 確率的に存在します

Wavelength is essential for quantum physics

波長は量子力学には 欠かすことができないものです

because an object's wavelength is related to its momentum,

実は 物質の波長は その運動量に関係があり

mass times velocity.

これは質量×速度で表せます

A fast-moving object has lots of momentum,

ですから 速く動く物質は 運動量が大きく

which corresponds to a very short wavelength.

これは波長が短い事を意味します

A heavy object has lots of momentum even if it's not moving very fast,

また重い物は動きは遅くとも 運動量が大きいのです

which again means a very short wavelength.

これも波長が短いことを意味します

This is why we don't notice the wave nature of everyday objects.

そのため身の回りの物質が持つ 波の特性には気づくことがないのです

If you toss a baseball up in the air,

例えば ボールを 空中に放り投げると

its wavelength is a billionth of a trillionth of a trillionth of a meter,

その波長は一兆分の一兆分の そのまた十億分の一メートルとなり

far too tiny to ever detect.

これだけ短いと検知することはできません

Small things, like atoms or electrons though,

しかし 原子や電子といった小さな物質は

can have wavelengths big enough to measure in physics experiments.

物理実験で観測できる波長を 持っています

So, if we have a pure wave, we can measure its wavelength,

つまり 純粋な波があれば その波長を測定することができます

and thus its momentum, but it has no position.

すなわち 運動量はわかるものの 位置は確定しません

We can know a particles position very well,

粒子の位置については よくわかりますが

but it doesn't have a wavelength, so we don't know its momentum.

波長を持たないため その運動量は不明とされます

To get a particle with both position and momentum,

位置と運動量の両方を持つ 粒子を得るには

we need to mix the two pictures

２つの図をあわせてやり

to make a graph that has waves, but only in a small area.

ごく狭いエリアに波があるグラフを 作成する必要があります

How can we do this?

どうすればいいのでしょうか？

By combining waves with different wavelengths,

それは異なる波長を持つ波を 組み合わせる事で

which means giving our quantum object some possibility of having different momenta.

これは量子的物体に異なる運動量を持つ 可能性を与えることを意味します

When we add two waves, we find that there are places

２つの波を足し合わせると

where the peaks line up, making a bigger wave,

山が並んで大きな波を作り出す 場所があることに気づきます

and other places where the peaks of one fill in the valleys of the other.

また山が谷を埋めてしまう 場所もあります

The result has regions where we see waves

その結果 波がある場所と

separated by regions of nothing at all.

全くないところに分けることができます

If we add a third wave,

３つ目の波を加えると

the regions where the waves cancel out get bigger,

波を打ち消す範囲が広くなり

a fourth and they get bigger still, with the wavier regions becoming narrower.

４つ目で波を打ち消す範囲は広がり 波の範囲の間隔が狭くなります

If we keep adding waves, we can make a wave packet

このように波を加え続けていくと

with a clear wavelength in one small region.

ある狭い範囲にはっきりとした 波長の波束を作ることができます

That's a quantum object with both wave and particle nature,

これこそ波と粒子の性質を持つ 量子的な物体です

but to accomplish this, we had to lose certainty

しかし これを行うと

about both position and momentum.

位置と運動量の双方の確実性が 失われてしまいます

The positions isn't restricted to a single point.

この位置を一点に 限定する事はできません

There's a good probability of finding it within some range

ただ波束の中心付近のある範囲に それを見い出せる

of the center of the wave packet,

確率が高いことを示しているだけです

and we made the wave packet by adding lots of waves,

なお 複数の波を足していくことで 波束をつくった場合

which means there's some probability of finding it

その内のどの単一の波についても

with the momentum corresponding to any one of those.

対応する運動量があって ある確率で見出されます

Both position and momentum are now uncertain,

さあ これで位置と運動量 双方が不確定となり

and the uncertainties are connected.

これらの不確定性が結びつきました

If you want to reduce the position uncertainty

位置の不確定性を 減少させたいと思えば

by making a smaller wave packet, you need to add more waves,

波をさらに加えて 波束をさらに小さくする必要がありますが

which means a bigger momentum uncertainty.

そうすると運動の不確定さが増します

If you want to know the momentum better, you need a bigger wave packet,

運動量の精度を高めようとすると 波束が大きくなってしまい

which means a bigger position uncertainty.

今度は位置が確定しなくなるのです

That's the Heisenberg Uncertainty Principle,

これがハイゼンベルクの不確定性原理です

first stated by German physicist Werner Heisenberg back in 1927.

1927年にドイツの物理学者 W. ハイゼンベルクが提唱しました

This uncertainty isn't a matter of measuring well or badly,

この不確定性は測定の 精度の問題なのではなく

but an inevitable result of combining particle and wave nature.

粒子と波の特性が結びついた 結果なので避けることはできません

The Uncertainty Principle isn't just a practical limit on measurment.

不確定性原理は 測定の限界を示すだけではありません

It's a limit on what properties an object can have,

物質が持ちうる特性の限界であり

built into the fundamental structure of the universe itself.

これは宇宙の基本的な仕組みに 組み込まれているのです