この賞は、すべての自然現象の中で最も神秘的なものの 1 つである量子もつれの理解に画期的な貢献をした 3 人の科学者を表彰しました。
最も簡単に言うと、量子もつれとは、粒子間の距離や間に何があるかに関係なく、もつれたペアの一方の粒子の側面がもう一方の粒子の側面に依存することを意味します。これらの粒子は、たとえば電子や光子である可能性があり、側面は、粒子が一方向に「回転」しているか別の方向に「回転」しているかなど、その状態である可能性があります。
量子もつれの奇妙な点は、もつれのペアの一方の粒子について何かを測定すると、たとえそれらが何百万光年離れていても、もう一方の粒子について何かがすぐにわかることです。 2 つの粒子間のこの奇妙な接続は瞬時に行われます。アルバート・アインシュタインはこの現象を「遠くから見た不気味な行動」と呼んだことで有名です。
の大部分を過ごしたので、私はその奇妙さを受け入れるようになりました。これまで以上に正確で信頼性の高い機器と、今年のノーベル賞受賞者である と の研究のおかげで、物理学者は現在、並外れた確実性で量子現象を世界の知識に組み込んでいます。
しかし、1970 年代に至るまで、量子のもつれが現実の現象であるかどうかについては研究者の意見が分かれていました。それには正当な理由があります。偉大なアインシュタインにあえて反対する人がいるでしょうか、彼自身もそれを疑っていたのでしょうか？この謎をついに解決するには、新しい実験技術の開発と大胆な研究者が必要でした。
粒子は同時に複数の状態で存在します
量子もつれの不気味さを真に理解するには、まず を理解することが重要です。量子重ね合わせは、粒子が同時に複数の状態で存在するという考えです。測定が実行されると、あたかも粒子が重ね合わせの中の状態の 1 つを選択したかのようになります。
たとえば、多くの粒子にはスピンと呼ばれる属性があり、分析装置の特定の方向に対して「上」または「下」として測定されます。しかし、粒子のスピンを測定するまでは、粒子はスピンアップとスピンダウンが重なった状態で同時に存在します。
各状態には確率があり、多くの測定から平均的な結果を予測することが可能です。単一の測定値が上昇または下降する可能性はこれらの確率に依存しますが、それ自体は予測できません。
非常に奇妙ではありますが、数学と膨大な数の実験は、量子力学が物理的現実を正確に記述することを示しています。
量子重ね合わせの現実
これは量子の重ね合わせの現実から現れ、1920 年代と 1930 年代に理論を開発した量子力学の創始者たちには明らかでした。
絡み合った粒子を作成するには、基本的にシステムを 2 つに分割します。各部分の合計は既知です。たとえば、スピンがゼロの粒子を必然的に逆のスピンを持つ 2 つの粒子に分割し、それらの合計がゼロになるようにすることができます。
1935年、アルバート・アインシュタイン、ボリス・ポドルスキー、ネイサン・ローゼンは、宇宙の基本法則に挑戦することを説明するために設計された思考実験について説明しました。
David Bohm によるものである A は、パイ中間子と呼ばれる粒子の崩壊を考慮しています。この粒子が崩壊すると、逆のスピンを持った電子と陽電子が生成され、互いに遠ざかります。したがって、電子スピンが上向きであると測定される場合、陽電子の測定スピンは下向きのみである可能性があり、その逆も同様です。これは、粒子が数十億マイル離れている場合でも当てはまります。
電子スピンの測定値が常に上昇し、測定された陽電子スピンの測定値が常に下降していれば、これは問題ありません。しかし、量子力学のため、各粒子のスピンは、測定されるまで、一部は上昇し、一部は低下します。測定が行われた場合にのみ、スピンの量子状態が上または下のいずれかに「崩壊」し、他の粒子が反対のスピンに瞬時に崩壊します。これは、粒子が光速よりも速く移動する何らかの手段を介して相互に通信していることを示唆しているようです。しかし、物理法則によれば、光の速度より速く移動できるものはありません。確かに、ある粒子の測定された状態から、宇宙の果てにある別の粒子の状態を瞬時に決定することはできないでしょうか?
アインシュタインを含む物理学者は、1930 年代に量子もつれの別の解釈を多数提案しました。彼らは、隠れた変数と呼ばれる未知の特性があると理論づけました。しかし当時の物理学者には、隠れた変数を含めるために量子論を修正する必要があるかどうかをテストできる明確な測定の技術も定義もありませんでした。
量子論は修正する必要があったのか?
答えへの手がかりが見つかるまでには 1960 年代までかかりました。ノーベル賞を受賞するまで生きられなかったアイルランドの優秀な物理学者であるジョン・ベルは、隠れた変数の概念が意味があるかどうかをテストするための計画を考案しました。
現在ではベルの不等式として知られるこの方程式は、量子力学ではなく、隠れ変数理論にとって常に正しい、そして唯一正しいものです。したがって、ベルの方程式が現実世界の実験で満たされないことが判明した場合、局所隠れ変数理論は量子もつれの説明として除外される可能性があります。
2022 年のノーベル賞受賞者の実験、特に の実験は、最初の でした。この実験では、多くの思考実験のように電子と陽電子のペアではなく、もつれ合った光子を使用しました。その結果、絡み合った粒子の状態を事前に決定する謎の属性である隠れた変数の存在が決定的に排除されました。これらを総合すると、量子力学の正当性が証明されました。量子力学以前の物理学では説明できない方法で、物体を長距離にわたって相関させることができます。
重要なのは、 との競合もないことです。長距離にわたる測定値が相関しているという事実は、粒子間で情報が伝達されることを意味するものではありません。遠く離れた 2 つの当事者が、光速よりも速く絡み合った粒子の測定を実行します。
今日、物理学者は量子のもつれと の研究を続けています。量子力学は測定の確率を信じられないほどの精度で予測できますが、多くの研究者はそれが現実の完全な説明を提供するかどうかについては依然として懐疑的です。ただし、一つだけ確かなことがある。量子力学の神秘的な世界については、まだ語るべきことが多くあります。
南フロリダ大学の物理学の准教授です。彼は国立科学財団から資金提供を受けています。
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