量子カオスとは

非技術用語である量子カオスは、カオス理論を使用して量子システムを説明することを指す科学的な略記です。 カオス理論は、マクロからミクロレベルまでのすべての動的システムで発生する不規則性を説明できます。 これらの不規則性には、惑星の周りの衛星の回転のへまや、原子レベルでの電子の予期しない位置が含まれます。 量子システムは、分子レベルで動作するシステムです。 これらの定義をまとめると、量子カオスは分子システムの不規則性を説明しようとします。

長い間、科学者たちは量子カオスが存在するかどうか確信を持っていませんでした。 原子は、予測可能な波のようなエネルギーのパターンを示す傾向がありました。 分子レベルのオブジェクトは、物理的カオスの伝統的な定義である初期条件に対する極端な感度を表していないようです。 出現した問題の一部でさえ、摂動論によって説明できます。摂動理論は、古典的な物理学によって説明できる、ほぼ規則的な振る舞いを示すシステムのわずかな逸脱を可能にします。

しかし、20世紀の一部の物理学者が発見したように、分子レベルで発生するすべてのイベントを古典的な量子モデルで適切に説明または予測できるわけではありません。 これらのモデルによると、あるサイトから次のサイトへの粒子の移動などのイベントには、生成できないエネルギーの指数関数的に増加する量が必要になります。 ただし、粒子はこれらのエネルギーレベルを生成せずに移動することが観察されているため、科学者は現象を説明する別の方法を考え出す必要がありました。

科学者が説明した1つの方法は、リドバーグ原子の研究によるものでした。 リュードベリ原子は、古典的な物理学で説明できるカオス的な振る舞いを示す非常にエネルギーの高い原子です。 これらの原子の研究により、量子カオスが関与するシステムは、高い相関エネルギーレベルを持っていることが示されています。 粒子のエネルギーレベルは、古典的な分子のようにランダムに分布していません。 あるサブシステムのイベントは、別のサブシステムのイベントと密接に関連しています。 その結果、エネルギースペクトルを使用して、これらの粒子の動作を少なくとも部分的に説明できます。

別の方法は、古典的な物理学が大規模システムの不規則性を説明できる状況を調べることでした。 太陽の引力による地球の月の軌道のぐらつきの背後にあるメカニズムは、低エネルギー粒子の挙動の説明と予測に役立つ統計的測定を作成するために使用されました。 物理学の古典的なモデルはこれらのカオス分子システムの振る舞いを適切に説明することはできませんが、量子カオスがこれらのモデルを出発点として使用してこれらのシステムをさらに理解する新しいモデルを作成することは興味深いです。