量子物理学：ボーム力学に反する量子粒子のエネルギーと速度の関係

古典力学では、粒子の運動エネルギー、つまりその運動に起因する粒子エネルギーは常に正であることが示されている。対照的に量子力学では、粒子の運動は波動関数を用いて記述され、運動エネルギーが局所的に負となる領域が出現し得る。この現象は、波動関数の振幅が大きく減衰する場合に生じ、典型的には量子トンネル現象を伴う。今回我々は、2つの導波路を結合させた系において粒子の量子力学的運動を調べた。この系では、導波路間の占有数移動が時計として作用し、導波路軸に沿った粒子の速度を決定することが可能になる。我々はこのスキームを、反射型のポテンシャル段差で指数関数的に減衰する量子状態に適用することによって、負の局所運動エネルギーを持つ粒子のエネルギーと速度の関係を決定した。その結果、粒子のエネルギーが小さいほど、換言すれば、局所運動エネルギーが負であるほど、ポテンシャル段差の内部で測定される速度が大きいことが見いだされた。今回の知見は、今なお続くトンネリング時間論争に寄与するものであり、量子力学におけるボーム軌跡の検証と見なすことができる。我々は後者について、測定されたエネルギーと速度の関係が、ボーム力学のガイド方程式によって仮定される粒子ダイナミクスとは一致しないことを見いだした。

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