不確実性原理

ヴェルナー・ハイゼンベルクは、電子をはじめとする微小な粒子の特性を正確に測定することの限界について考えました。彼は、粒子の位置と運動量を同時に正確に測定することには、根本的な限界があると考えました。粒子の運動量の測定精度が高ければ高いほど、その時の位置の測定精度は低くなり、その逆もまた然りとなります。これが現在、ハイゼンベルクの不確定性原理と呼ばれるものです。ハイゼンベルグは、位置の不確かさと運動量の不確かさを、プランク定数を含む量に数学的に関連づけました。

この式は、物体の位置と運動量の両方を同時に正確に知ることができる限界を計算したものです。

そのため、電子の位置が正確であればあるほど、その速度は正確でなくなり、その逆もまた然りです。例えば、野球ボールの初期位置と速度を記録し、重力や風などの影響を考慮することで、野球ボールが外野のどこに着地するかを予測することができます。野球ボールの軌道は、次のように推定できます。

しかし、電子の場合、位置と速度を同時に決定することはできません。そのため、原子の電子の軌道を決めることができません。この挙動は不確定です。電子の正確な位置の代わりに、原子のある領域に電子が見つかる確率、つまり確率密度で語ることができます。それは、プサイの二乗（ψ²）で示すことができます。特定の領域に電子が存在する確率が高ければ高いほど、プサイ二乗の値は大きくなります。このことから、原子は原子核の周りを電子雲が取り囲んでいると表現されています。

ハイゼンベルグの不確定性原理は、科学で知り得ることに究極の制限を課すものです。不確定性原理は、波動と粒子の二重性の結果であることが示されています。この二重性は、現代の量子論を古典力学から区別する核心となっています。

この文章は 、 Openstax, Chemistry 2e, Section 6.3: Development of Quantum Theory に基づいています。