原子や粒子のミクロの世界を支配する理論である量子力学には、確かに X ファクターがあります。物理学の他の多くの分野とは異なり、それは奇妙で直観に反するものであり、それがまばゆいばかりで興味深いものとなっています。 2022 年のノーベル物理学賞が量子力学に光を当てた研究に対して与えられたとき、.
しかし、量子力学に関する議論は、それがチャット フォーラムであれ、メディアであれ、SF であれ、多くの根強い通説や誤解のせいで混乱することがよくあります。ここに4つあります。
1. 猫は死んでも生きてもよい
エルヴィン・シュレーディンガーは、おそらく彼のシュレーディンガーの猫が 21 世紀に到達するとは予想できなかったでしょう。
この研究は、不運なネコ科動物が、ランダムな量子事象（たとえば、放射性崩壊）によって引き起こされるキルスイッチを備えた箱に閉じ込められた場合、箱を開けて確認しない限り、生きていると同時に死んでいる可能性があることを示唆している。
私たちは、量子粒子が同時に 2 つの状態、たとえば 2 つの場所にある可能性があることを長い間知っていました。これを重ね合わせと呼びます。
科学者たちは、有名な二重スリット実験でこのことを示すことができました。この実験では、光子や電子などの単一の量子粒子が壁の 2 つの異なるスリットを同時に通過できます。それをどうやって知ることができるのでしょうか？
量子物理学では、各粒子の状態も波です。しかし、スリットを通して光子の流れを 1 つずつ送信すると、スリットの後ろのスクリーン上で互いに干渉する 2 つの波のパターンが作成されます。各フォトンはスリットを通過するときに干渉する他のフォトンを持っていなかったため、それは両方のスリットを同時に通過したに違いなく、それ自身に干渉したことを意味します（下の画像）。
ただし、これが機能するには、両方のスリットを通過する粒子の重ね合わせの状態 (波) が「」、つまり相互に明確に定義された関係を持つ必要があります。
これらの重ね合わせの実験は、サイズと複雑さが増大し続けるオブジェクトに対して実行できます。 1999 年にアントン ザイリンガーが行った実験では、「バッキーボール」として知られる大きな分子を用いた量子重ね合わせが実証されました。
それでは、これは私たちのかわいそうな猫にとって何を意味するのでしょうか？箱を開けない限り、本当に生きているのか死んでいるのか？明らかに、猫は、制御された実験室環境における個々の光子のようなものではなく、はるかに大きく、より複雑です。猫を構成する何兆もの原子が互いに持つコヒーレンスは、非常に短命です。
これは、量子コヒーレンスが生物学的システムでは不可能であるという意味ではなく、猫や人間などの大きな生き物には一般に当てはまらないというだけです。
2. 単純なたとえ話でもつれを説明できる
もつれとは、 2 つの異なる粒子を結び付ける量子特性であり、一方を測定すると、それらがどれほど離れていても、もう一方の状態が自動的かつ瞬時にわかります。
これについては、サイコロ、カード、あるいは奇妙な色の靴下など、古典的な巨視的な世界から一般的に説明されています。たとえば、ある封筒に青いカードを入れ、別の封筒にオレンジのカードを入れたと友人に話したとします。友達が封筒の 1 つを持ち去って開け、青いカードを見つけたら、あなたがオレンジのカードを持っていることがわかります。
しかし、量子力学を理解するには、封筒の中の 2 枚のカードが重ね合わされていること、つまり、それらが同時にオレンジ色と青色であることを想像する必要があります (具体的には、オレンジ色/青色、および青色/オレンジ色)。封筒を 1 つ開けると、ランダムで 1 つの色が現れます。しかし、2番目のカードを開くと、最初のカードと「不気味なほど」リンクされているため、常に反対の色が表示されます。
別のタイプの測定を行うのと同じように、カードを強制的に別の色のセットで表示することもできます。封筒を開けて「あなたはグリーンカードですか、レッドカードですか?」という質問をすることもできます。答えはやはりランダムです: 緑か赤になります。しかし重要なのは、カードがもつれていたとしても、同じ質問をすると、もう一方のカードは常に反対の結果をもたらすということです。
アルバート・アインシュタインはこれを古典的な直観で説明しようと試み、カードには特定の質問に対してどの色が表示されるかを示す が提供されていた可能性があると示唆しました。彼はまた、カード同士が即座に影響し合うように見えるカード間の明らかな「不気味な」動作も否定した。これはアインシュタインの理論で禁じられている、光速よりも速い通信を意味するだろう。
しかし、アインシュタインの説明はその後、（物理学者のジョン・スチュワート・ベルによって作成された理論的検証）および2022年のノーベル賞受賞者による実験によって除外されました。絡み合った 1 枚のカードを測定すると、もう 1 枚のカードの状態が変化するという考えは真実ではありません。量子粒子は、日常の論理や言語では説明できない方法で不思議な相関関係にあります。アインシュタインが考えたように、量子粒子は隠されたコードを含んでいて通信することはありません。したがって、もつれについて考えるときは、日常的なもののことは忘れてください。
3. 自然は非現実的であり、「非局所的」である
ベルの定理は、自然が「局所的」ではないこと、つまり物体がそのすぐ近くの環境から直接影響を受けるだけではないことを証明するとよく言われます。もう1つの一般的な解釈は、量子対象の特性は「現実」ではない、つまり測定前には存在しないことを意味するというものです。
しかし、量子物理学が意味するベルの定理は、同時に他のいくつかのことを仮定すると、自然は現実でも局所でもないことを意味します。これらの仮定には、測定の結果は 1 つだけ (おそらく並行世界では複数ではない) であり、原因と結果が時間の経過とともに流れていくこと、そして私たちはすべてが事前に決定されている「時計仕掛けの世界」に住んでいないという考えが含まれます。太古の昔から。
ベルの定理にもかかわらず、自然は実際に存在し、局所的なものである可能性が高く、時間が進むなどの常識を考慮します。そして、さらなる研究により、量子力学の潜在的な多数の解釈が絞り込まれることが期待されます。しかし、検討中の選択肢のほとんど（たとえば、時間の逆流や自由意志の不在など）は、少なくともローカルリアリティの概念を放棄するのと同じくらい不合理です。
4. 誰も量子力学を理解していないf
A (物理学者によるものとされていますが、この形式では言い換えも行われています) は次のように推測しています。「量子力学を理解していると思っているなら、あなたはそれを理解していないのです。」
この見解は広く一般に受け入れられています。量子物理学は、物理学者を含めておそらく理解することが不可能であると考えられています。しかし、21 世紀の観点から見ると、科学者にとって量子物理学は数学的にも概念的にも特に難しいものではありません。私たちはそれを非常によく理解しており、量子現象を高精度で予測し、非常に複雑な量子システムをシミュレートし、さらには を開始できるところまで来ています。
重ね合わせともつれは、量子情報の言語で説明すると、高校の数学以上のものは必要ありません。ベルの定理は量子物理学をまったく必要としません。確率論と線形代数を使用して数行で導出できます。
おそらく、本当の難しさは、量子物理学と私たちの直感的な現実をどのように調和させるかにあるでしょう。すべての答えが得られなくても、量子技術のさらなる進歩が妨げられることはありません。単に .
人類にとって幸運なことに、ノーベル賞受賞者のアスペクト氏、クラウザー氏、ザイリンガー氏は黙ることを拒否し、その理由を問い続けた。彼らのような人たちも、いつか量子の奇妙さと私たちの現実体験を調和させるのに役立つかもしれない。
ヘリオットワット大学の物理学の教授です。彼は英国工学物理科学研究評議会 (EPSRC) から資金提供を受けています。
ヘリオットワット大学の物理学の教授です。彼は、英国工学物理科学研究評議会 (EPSRC) および欧州研究評議会 (ERC) の開始助成金 PIQUaNT から資金提供を受けています。
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