相補性

デジタル大辞泉

そうほ‐せい〔サウホ‐〕【相補性】

読み方：そうほせい

１ 量子力学的現象を記述するために、ボーアが提唱した概念。電子の位置と速さ、光の粒子性と波動性のように、不確定性原理から二つの量が同時に測定できない関係にある現象を互いに相補的であるといい、このような性質をいう。

２

㋐遺伝で、突然変異を起こした染色体が一つの細胞内に2種あるとき、突然変異体の個々の作用以上の機能や形質が発現する現象。

㋑核酸の塩基配列において、アデニンとチミンまたはウラシル、グアニンとシトシンが特異的に対合する現象。

日本語活用形辞書

相補性

読み方：そうほせい

名詞「相補」に、接尾辞「性」がついたもの。

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相補性

出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2024/07/02 15:08 UTC 版)

この項目では、量子力学の相補性について説明しています。遺伝学については「遺伝的相補性」を、分子生物学については「相補性 (分子生物学)」をご覧ください。

相補性（そうほせい、英: complementarity, 独: Komplementarität）は、量子力学の基本概念の一つ。1927年9月16日にイタリアのコモで開かれた国際会議において^[1]、デンマークの物理学者ニールス・ボーアによって提唱された。文献によっては相反性（そうはんせい、英: reciprocity, 独: Reziprozität）とも表現される^[2]。

相補性とは、光や電子の粒子性と波動性や、古典論における因果的な運動の記述と量子論における確率的な運動の記述のように、互いに排他的な性質を統合する認識論的な性質であり、排他的な性質が相互に補うことで初めて系の完全な記述が得られるという考えのことである^[3]。

相補性の概念はしばしば不確定性原理に結び付けられる。1927年にヴェルナー・ハイゼンベルクが見出した不確定性原理により、運動する粒子の位置を精度よく決定しようとすると粒子の運動量の不確定性が増大し、逆に運動量の不確定性を小さくすると位置の不確定性が大きくなることが知られるようになった。ハイゼンベルクはこの不確定性を観測に利用される光と粒子の相互作用について論じ、不確定性は観測行為に伴う測定器系と被測定系との相互作用の結果であると解釈した。光による粒子の位置の測定では、光の波長程度の大きさの位置の不確定性が存在し、一方で光は波数程度の大きさの運動量を持つので、粒子の運動量は光の波数に応じて乱され、光の波数の大きさは波長に反比例することから、この測定について、粒子の位置の不確定性と運動量の不確定性の積はある有限の大きさを持つことになる^[4][5]。

ボーアはハイゼンベルクが示した不確定性原理とその解釈を更に推し進め、量子力学における測定の議論では、古典論のように被測定系の性質だけによらず、測定器系の設定を明確に定義しなければならないことを示し、そのような状況を一般的に説明する概念として相補性を置いた。量子力学の相補性を特徴付ける事柄としてボーアは、ハイゼンベルクが示したように測定に伴う相互作用が原理的に制御できないこと、それに関連して測定器系と被測定系を独立に扱うことができないこと、被測定系が複数の部分系によって構成される場合においても、それぞれの部分系を独立に扱うことは必ずしも可能でないことをそれぞれ指摘した。 これらの事柄をボーアは作用量子の有限性および量子系の単一不可分性ないし分割不可能性によるものとした。すなわち、作用量子の有限性とは、ある測定に関して測定器系が被測定系に対して及ぼす作用に対し、その微視的な素過程において被測定系から測定器系への無視できない有限の反作用が存在することをいい、単一不可分性とは、各々の系が有限の相互作用によって結び付けられ、その結果によって得られる測定値は測定器系の巨視的な状態変化のみによって示され得ることをいう。

不確定性原理から、2 つ正準共役量の不確定性の積の大きさはプランク定数程度と見積もられる。この作用の単位は作用量子（さようりょうし、英: quantum of action, 独: Wirkungsquantum）と呼ばれる。作用量子、すなわちプランク定数は系の記述について、相補性が重要となる場合の指標と見なすことができる^[6]。

出典

1. ^ 山本 1999, pp. 19, 359–361, 1. 量子仮説と原子理論の最近の発展; 解説 3.コモ講演.
2. ^ 山本 1999, pp. 69, 334, 2. 作用量子と自然の記述; 訳注.
3. ^ 山本 1999, pp. 19–25, 1. 量子仮説と原子理論の最近の発展.
4. ^ 江沢 2002, p. 124, §6.4 不確定性関係.
5. ^ 山本 1999, p. 31, 量子仮説と原子理論の最近の発展 §3. 量子論における測定.
6. ^ 山本 1999, pp. 65–74, 2. 作用量子と自然の記述.

参考文献

• 山本, 義隆『ニールス・ボーア論文集1 因果性と相補性』岩波書店〈岩波文庫 青 940-1〉、1999年4月16日。ISBN 4-00-339401-1。 
• 江沢, 洋『量子力学 I』裳華房、2002年4月15日。ISBN 978-4-7853-2206-9。 

関連項目

• コペンハーゲン解釈
• 粒子と波動の二重性
• 観測問題
• 観察者効果#自然科学
• 相互作用
• 不確定性原理
• プランク定数
• 最小作用の原理
• 非局所性
• 局所実在論
• 隠れた変数理論
• アインシュタイン＝ポドルスキー＝ローゼンのパラドックス
• 量子もつれ

表 話 編 歴 量子力学
全般	序論（英語版） 数学的定式化
背景	古典力学 前期量子論 量子論 量子力学の歴史 量子力学の年表
基本概念	量子状態 波動関数 重ね合わせ 不確定性原理 可観測量 相補性 二重性 不確定性 トンネル効果 排他原理 エーレンフェストの定理 量子もつれ デコヒーレンス
定式化	シュレーディンガー描像 ハイゼンベルク描像 相互作用描像 波動力学 行列力学 経路積分 GNS表現
方程式	シュレーディンガー方程式 ハイゼンベルク方程式 パウリ方程式 クライン＝ゴルドン方程式 ディラック方程式
実験	二重スリット実験 シュテルン＝ゲルラッハの実験 デイヴィソン＝ガーマーの実験 ベルの不等式の検証実験（英語版） ポパーの実験（英語版） シュレーディンガーの猫 爆弾検査問題（英語版） 量子消しゴム実験
解釈（英語版）	観測問題 ボーム解釈 無矛盾歴史 コペンハーゲン解釈 アンサンブル解釈 隠れた変数理論 多世界解釈 客観的収縮（英語版） 量子論理 関係性量子力学 (RQM)（英語版） 確率過程量子化 交流解釈（英語版） フォン・ノイマン＝ウィグナー解釈
人物	ジョン・スチュワート・ベル デヴィッド・ボーム ニールス・ボーア マックス・ボルン サティエンドラ・ボース ルイ・ド・ブロイ ポール・ディラック ポール・エーレンフェスト ヒュー・エヴェレット3世 リチャード・P・ファインマン ヴェルナー・ハイゼンベルク パスクアル・ヨルダン ヘンリク・アンソニー・クラマース ジョン・フォン・ノイマン ヴォルフガング・パウリ マックス・プランク エルヴィン・シュレーディンガー アルノルト・ゾンマーフェルト ヴィルヘルム・ヴィーン ユージン・ウィグナー
関連項目	散乱理論 相対論的量子力学 場の量子論 量子情報 量子カオス 量子コンピューター
カテゴリ

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