いぶき【身近な例あり】量子力学のトンネル効果をわかりやすく解説しますポストシェアはてブ送るPocketこの前、ちょっとした事件がありました。それは...ケメ子トンネル効果を教えてください!と中学生に言われたのです。興味があるのは僕としても嬉しかったのですが、何せ相手は微分、積分はさっぱりわからない中学生。難しい記事ばかりでした。そこで、この記事では「中学生」にもわかるように、「数式をなるべく使わず」に、トンネル効果を解説して行きたいと思います。最後に:量子の世界は不思議がいっぱいトンネル効果とはどういうものか?まずざっくりと、「トンネル効果とは何か?」ということについて紹介しますね!ざっくりと、以下の2つを抑えてもらうと良いと思います!トンネル効果とは?量子力学において現れる物理現象ポテンシャルの壁をすり抜けるコレだけです!ちょっと難しいと感じる人もいるかもしれないので、それぞれをもう少し説明しますね。量子力学とは、ミクロの世界の力学(物理)まず、量子力学とは何か?量子力学とは?非常にミクロな世界では、不思議な物理現象が起きることが知られています。そんなミクロな世界の法則を記述する力学が、量子力学です。ちなみに、どのくらい小さければいいかというと、めーっちゃ小さくなければいけません。原子とか分子レベルが必要です。ちなみにちなみに、私たちの生活レベルでの物理を、古典物理と呼んでいます。(ニュートンが体系を完成させたので、ニュートン力学とも)はい、ここまで読んだ人は「えー、じゃあどっちが正しいの?」と思うかもしれません。簡単な古典力学が使われています。ポテンシャルの壁とは、坂とか壁のイメージ次に、ポテンシャルの壁とは何か?ですが、ポテンシャルとは、ざっくりと坂とか壁をイメージしてもらうといいと思います。ポテンシャルとは?正確にいうと、ポテンシャルエネルギーです。エネルギーの壁、という意味。与えてやらなければいけません。下から上に行くには、エネルギーの壁を乗り越える必要がある、という訳です。ここまでくれば、大体のイメージがつかめるので、いよいよトンネル効果のそれっぽい解説に入って行きたいと思います。最初にも言いましたが、いかんせんざっくりとした解説なので悪しからず。まとめると、以下の図のようになります。ポテンシャルの壁をすり抜けるとは何か?さて、ではもう一度下の図を見てください。コレに解説を加えて行きます。左から転がった玉は、どうなるかというと、坂を途中まで登って跳ね返ります。ものが出てくるのです。いぶきコレがトンネル効果だ!まるで、山にあるトンネルを通って山の向こう側に行ってしまうみたいに見えることから、トンネル効果と名付けられました。これの何がすごいかというと...本来は(古典力学では)、坂を登りきるだけのエネルギーを持っていなければ右側に行けないはずの粒子が、小さなエネルギーでも坂を通過してしまうということです。絶対に右側にいけないはずの粒子が、すり抜けてしまう」という不思議な現象なのです。以上がトンネル効果の説明ですが、これだけだとあまりにもざっくりとしすぎていろんな誤解があるかもしれないので、注意点を軽く述べておきます。注意点は以下の4つです。すり抜ける訳ではない実際に物理的な壁をすり抜けている訳ではないし、穴が空いている訳でもない同じ粒子がすり抜けているのかわからないえー、つまりは人がトンネル効果で壁をすり抜けたりはできないし、すり抜けをしたとき、壁は壊れたりしない、ということです。4番はどういうことかというと、同じ粒子がすり抜けたか、というのはわからないということです。壁の奥に粒子ができる、というだけで、それが同じものかどうなのか確かめようがない、という感じみたいです。スポンサーリンク物理的現象を式なしで追ってみる以上でざっくりとした説明は終わりなのですが、もう少し説明をしてほしいという要望をいただきました!そこで、もう少しだけ詳しく説明をしたいと思います。抽象度が上がるので、ふんわりした話に聞こえるかもしれませんがご容赦ください。説明していきたいと思います!古典力学の場合、どうなるか?使うのは、以下のような薄いポテンシャル壁です。思ってもらうといいでしょう。粒子がやってくるとします。なるかというと...もちろん、壁で跳ね返ります。面白くもなんともありません。この時、跳ね返る位置は、厳密に壁の位置になります。本当に壁にボールを当てたように、ポヨンと跳ね返ってくるイメージです。粒子が存在する確率を表すグラフは、以下のようになります。壁の前で0になっているということに注意しておいてください。3回であることからわかると思います!量子力学の場合は、壁に染み出すでは、量子力学の場合だとどうか...まずは、そこそこの厚みを持っている壁の場合についてです。この染み出しをイメージするには大変に難しいのですが、「数学的に、壁の中に存在していてもおかしくない」という結果が出た、みたいな感じです。染み出したあとは、その粒子は壁の内部にとどまらずに跳ね返されます。存在確率はこんな感じです!このイメージを持っておいてください。?※ちなみに薄い、というのが重要で、原子が数百個とか、分子が数十個とかだと思ってください。この時は、存在確率が0にならないうちに、その壁を突き抜けてしまいます。なったらこっちのもので、もう跳ね返る必然性がないのでそのまま右に進んで行きます。コレが、トンネル効果の正体です。粒子が染み出して、ついには反対側に出たものが「通り抜けた」ということです!どのくらいすり抜けるかということですが、それは壁の厚さや粒子とポテンシャル障壁のエネルギー差などによってまちまちです。ちなみに、「なんでこんなことが起きている」のかというのはなくて、「数学上ではこうなっていて、現実でもこうなっている」みたいな感じです。事実、アインシュタインは量子力学の考え方を受け入れられず、「神はサイコロを振らない」などの名言を残したほど。トンネル効果の身近な例では、トンネル効果は生活のどのようなところに使われているのでしょうか?いぶき身近な例を調べてみました!と言いたいところだったのですが...出てきたのが、以下のようなものでした。いないですよね?まぁ、かなりミクロな話なので、私たちの生活で見ることができるのはあまりないということみたいです。最後に:量子の世界は不思議がいっぱい以上がトンネル効果の説明でした!ちょっと複雑なのと、自分の説明の都合で省略・簡略化してしまったところが多いのですが、ざっくりとしたイメージは伝わったと思います。こんな風に量子の世界は不思議なことがいっぱいあります。最近はこうした技術を用いたデバイスが開発されたりしているので、技術職的にもワクワクします!興味を持ってくれたなら、ぜひ「もう少しちゃんとした量子の本」を手にとってみることをお勧めします。今のうちにやっておきたいオススメな暇つぶし30選!自宅で勉強するのに最適スタディサプリコロナウイルスが蔓延するこんな状況下で、非常におすすめなのが「スタディサプリ」です。オンライン学習だからできる、史上最強の講師とレベルの高い学びを、あなたに。夜に盛り上がるおすすめのゲームはコレだ!RECOMMENDこちらの記事も人気です。フォローする!いぶきのプロフィールいぶき普通の高校から1年の浪人を経て京大に合格した京大生ブロガー。中学の時の得意教科は物理と家庭科。30万PVを集めています。「小市民シリーズ」の短編集。言葉のリズム、語彙、話の持っていき方、どれをとっても一級品。僕にピタッとハマって、やっぱりこの人の本好きだなぁと思わせてくれた。稼ぐ!ただのシロウト大学生だった僕が、ブログで年に150万円稼げるようになったその訳は...記事を読む!受験勉強京大に合格することができたという経験を踏まえて、受験についての記事を書いています!エンタメ“面白いこと”、”笑えること”、”ちょっと役立つこと”などをエンタメとしてまとめています。京大卒業式2018に行ってきた!大学生京大生の面白ネタや大学生だからこそかけない記事を書いています!気になることブログ運営ブログ運営のコツ、マネタイズ、ブログ論などを書いています。エッセイ京大生ブロガー、「いぶき」が思ったこと、感じたことなどをエッセイ風に書いています。