通常、量子測定は測定対象に影響を与えると考えられています。量子物理学では、状態の重ね合わせが単一の固有状態に「崩壊」するように、不定状態から特定の状態になります。しかし、測定によって量子情報も破壊される可能性があるという事実について考える人はほとんどいません。
基本的なレベルで現実を理解しようとしている科学者の立場に立っていると想像してみてください。この問題にどのように対処しますか？あなたは、問題を研究しやすい小さなコンポーネントに分解しようとしているでしょう。さまざまな状態でこれらの小さな素原子粒子の特性をテストおよび測定するための実験を設計します。あなたが本当に賢いなら、あなたは宇宙の法則を理解するためにあなたが測定した特性を使用しようとするでしょう。
十分な測定または十分な実験を行うことで、宇宙全体の任意の粒子（または粒子のグループ）について必要なものを見つけることができると判断するかもしれません。同様の期待は、20世紀の夜明けの科学者の間で一般的でした。しかし、量子宇宙には他の提案があることがわかりました。特定の測定では、以前の測定で受け取った情報が完全に無効になります。どうやら、測定の行為は情報を破壊します。そして、これが私たちが見つけた方法です。
加算や乗算などの特定の数学演算は、アクションの順序に依存しません-それらは可換です。操作の順序が重要であり、結果がそれに依存する場合、操作は非可換であると言われます。物理学の世界では、これは非常に重要です。
理論的には、物語は単純な数学的アイデア、つまり可換性の概念から始まります。可換性とは、結果を変えずにパーツを場所に再配置できることです。加算は可換です：2 + 3 = 3 +2。同じことが乗算にも当てはまります：2×3 = 3×2。減算は可換ではありません：2-3≠3-2;式が真になるには、右側にマイナスを追加する必要があります。分割も可換ではなく、すべてが少し複雑になります。2÷3≠3÷2;パーツの1つを他のパーツと等しくするには、反転させる必要があります。
物理学では、可換性は数学的な操作だけでなく、物理的な操作や測定も指します。簡単な例：回転。たとえば、携帯電話など、3つの次元すべてが異なるオブジェクトを取得し、次々に2回転させることができます。
- オブジェクトを目の前に持って、自分に向けられた軸に対して反時計回りに90°回転させます。
- 同じオブジェクトを垂直軸を中心に時計回りに90°回転させます。
これらのスピンが実行される順序が重要であることに驚く人もいるかもしれません。
スマートフォン以前の時代からの著者の以前の電話は、3次元空間での回転の非可換性を示しています。上段と下段は、左から右に同じ位置から始まります。上部では、写真の平面内で反時計回りに90度回転した後、垂直軸を中心に時計回りに90度回転します。下部では、同じ2つのターンが異なる順序で行われます。回転の非可換性は明らかです。
非可換性の概念は古典的な物理学の世界にも現れますが、その最も有名なアプリケーションは、ハイゼンベルグの不確実性の原理の形で量子世界に関連しています ..。私たちの古典的な世界では、いつでもオブジェクトの多くのプロパティを測定できます。天びんに物を置き、その質量を測定します[重量/約。あたり。]。モーションセンサーを取り付けて、その運動量を測定します。レーザーでそれを撃ち、その位置を測定します。それを熱量計に送り、そのエネルギーを測定します。オブジェクトがぐらついている間にタイマーを開始し、ぐらつき期間を取得します。
量子宇宙では、これらの測定値の多くは有効ですが、それを行った瞬間だけであり、永遠ではありません。重要なのは、測定できる特定の量子特性（共役変数と呼ばれる量のペア）は互いに関連しているということです。運動量を特定の精度で測定する場合、以前にこの位置をはるかに正確に測定したとしても、特定の誤差よりも正確に粒子の位置を知ることはできません。
場所と勢いの間の量子世界の固有の不確実性。粒子の位置をよく知っているほど、その勢いを知ることができなくなります。逆もまた同様です。位置と運動量は、単一の値よりも確率的な波動関数によってより適切に記述されます。
多くの人が不確実性の原則を受け入れるのは難しいと感じていますが、それでも宇宙はそれを支持しているようです。また、共役変数の他のペアにも適用されます。
- 位置（Δx）と運動量（Δp）、
- エネルギー（ΔE）と時間（Δt）、
- 電位、または電圧（Δφ）と自由電荷（Δq）、
- 角運動量（ΔL）と方向、または角位置（Δθ）。
ただし、実際に物理的な必要性を示す必要がある場合は、それを裏付ける実験的証拠を入手する必要があります。 「自分の測定値がどれほど正確かわからない」と言うだけでは不十分です。以前の測定で一定の精度で受け取った情報が、その後の測定によって破壊されたことを示す方法を見つける必要があります。
そして1921年に、物理学者の オットー・スターンはこれをテストするための独創的な方法を思いつきました。
個々の粒子と複合粒子は、軌道と固有（スピン）の両方の角運動量を持つことができます。これらの粒子が固有または固有の電荷を持っている場合、磁場の存在下でそれらを特定の量だけ偏向させる磁気モーメントが現れます。
量子粒子があるとしましょう-電子、プロトン、複合核（結合したプロトンと中性子からなるオブジェクト）、または核と電子がその周りを回転する中性原子ですらあります。このようなオブジェクトには、質量、電荷など、固有の量子特性がいくつかあります。理論的には、他の粒子の周りを回転する（または他の粒子がその周りを回転する）という事実だけでなく、固有の内部角運動量もあるため、角運動量も必要です。オブジェクトのこの量子特性は、スピン[スピンする（英語）-回転する/約。per。]、それ自体の軸を中心に回転するトップとの類推による。
トップを想像すると、すぐに2つの方法で回転させることができます。
- 垂直軸を中心に時計回りに、
- または反時計回り。
重力のない（そして優先方向のない世界に住んでいる-私たちの場合、この役割は地球の中心への方向によって果たされます）、3次元すべての軸を中心に時計回りまたは反時計回りに回転することを想像できます。これが私たちの前提です。粒子にはスピン、つまり内部角運動量があるという考えです。 1921年にまだあったが、数年前に ジョージ・ユージン・ウーレンベックと サミュエル・アブラハムGoudsmitは、電子スピンの彼らの仮説を策定し、このアイデアはまだボーアとゾンマーフェルトの「古い量子論」に存在しました。
磁場を通過する回転する量子粒子の軌道は、その回転に関連する磁気モーメントの影響を受けます。量子論では、これはスピンが離散的でなければならないことを意味します。
量子粒子のスピンを測定する方法は？スピンが古典的なパラメータの方法で任意の値をとることができる連続量であるかどうか、または本質的に量子的で離散的であるかどうかを判断する方法は？
スターンは、スピンを伴う帯電粒子の運動方向に垂直な磁場をとると、その磁場はスピンに関連する磁気モーメントに従って運動の軌道に作用すると推測しました。スピンのない粒子は影響を受けませんが、スピンのある粒子は磁場の方向に偏向します。
スピンが離散的である、つまり量子化されている場合、同じ速度で移動するすべての粒子は同じ場所になければなりません。スピンが古典的で連続的である場合、粒子はどこにあってもかまいません。
磁石を通過する粒子のビームは、粒子の角運動量に対して量子/離散結果（5）、または古典的/連続（4）を与えることができます。Stern-Gerlach実験は、いくつかの重要な量子現象の存在を示しています。
1922年、物理学者 Walter Gerlach実験を開発することにより、スターンのアイデアのテストを手配しました。 Gerlachは、銀原子のビームが通過する電磁石から始めました。これは、同じ速度に簡単に加速できます。電磁石をオフにすると、すべての銀原子が磁石の反対側にある検出器の同じスポットに当たります。磁石がオンになると、ビームは2つの部分に分割されました。原子の半分は軌道を変更し、一方の方向にずれ、もう半分はもう一方の方向にずれました。今日、この振る舞いは、磁力線に平行または反平行に向けられたスピン+1/2および-1/2の存在に対応することが知られています。
この初期の実験は、離散値に量子化されるスピンの存在を証明するのに十分でした。しかし、以前に得られた情報を破壊する量子力学の能力がさらに実証されました。磁場をオンにした状態で銀原子がスターンゲルラッハ装置を通過すると、粒子のスピンに応じて原子ビームが2つに分割されます。
さて、ビームの半分の1つを別のStern-Gerlach装置に通すとどうなりますか？
Stern-Gerlach装置を介して粒子を発射すると、可能なスピンオプションに従って、磁場によってビームが2つの部分に分割されます。 2番目のStern-Gerlach装置がビームの半分のいずれかの経路に配置されている場合、粒子のこの量子特性はすでに決定されているため、分割は発生しなくなります。
答えはあなたを驚かせるかもしれません：それはすべて磁石がどちらの方向に向けられているかに依存します。最初のStern-Gerlach装置が、たとえばx軸に沿って方向付けられている場合、一部の粒子は+ x方向に移動し、一部の粒子は–x方向に沿って移動します。最初に集中しましょう。それらをx軸に沿って配向された別の磁石に通すと、粒子は分離せず、すべて+ x方向に配向されたままになります。
しかし、2番目の磁場をy軸に沿って方向付けると、結果は驚くかもしれません。これで、最初は+ x方向に向けられた粒子の光線が、y軸に沿って分割されます。半分は+ y方向に進み、もう一方は–y方向に進みます。
次に、重要な瞬間が来ます。粒子+ yのみに集中し、x軸に沿って配向された磁場を再び通過させるとどうなりますか？
粒子のセットをStern-Gerlach装置に一度通過させると、それらはスピンに従って分離します。それらを2番目の垂直な磁石に通すと、新しい方向に分離します。最初の磁石と平行に3番目の磁石を使用すると、それらは再び分離します。つまり、最新の測定により、以前に決定された情報が再びランダムになります。
それらは、最初の場合と同様に、+ xおよび–x方向に沿って分割されます。それらを垂直に向けられた2番目の磁石に通すことにより、最初の測定で得られた情報を破壊しました。今日、方向x、y、zは互いに通勤しないことを理解しています。あるタイプの変数の量子測定は、その共役変数に関する以前のすべての情報を破壊します。
スピンに従って軸の1つに沿って量子粒子を分割するいくつかの連続する装置は、前の方向に垂直に沿ってそれらを分割しますが、同じ方向に沿って分割することはありません。
Stern-Gerlach実験には、1つの永続的な結果があります。 1927年に、水素原子でも分裂が起こることが示されました。これは、それらがゼロ以外の磁気モーメントを持っていることを示しています。原子核には固有の量子角運動量があり、Stern-Gerlach装置でも分裂します。科学者たちは、時間の経過とともに磁場を変化させることにより、磁気モーメントをある状態または別の状態にする方法を考え出しました。時間内にフィールドを変更することにより、状態間の遷移を誘発することが可能であることが判明しました。これが磁気共鳴の誕生であり、現在はMRIマシンに遍在しており、最終的には原子時計につながりました。
- . . . 1937 , , .
測定と観察の行為が実験の結果に影響を与えるべきではないように思われるでしょう。システムを観察するとその特性が変化するという考えはばかげているようです。しかし、量子宇宙では、これは起こるだけでなく、理論が完全に形成される前でさえも実証されました。一方向に沿った粒子のスピンを測定すると、他の2つの方向について以前に取得した情報が破壊されます。以前にそれらを測定し、それらを正確に知っていたとしても、新しい次元は、以前に取得した情報を基本的に消去（ランダム化）します。
アインシュタインの有名な声明を聞いた多くの物理学者に「 神は宇宙とダイスをしません「この実験は、反例として最初に頭に浮かぶはずです。現実をどれだけよく理解していると思うかは関係ありません。さまざまな方法でどれだけ正確かつ注意深く測定するかは関係ありません。新しい次元は古い情報を破壊します。これを証明するために必要なのは磁石といくつかの粒子だけです。