ノーベル賞を取った量子力学

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量子のもつれ：物理学で最も奇妙な現象

2022年のノーベル物理学賞は、最も不思議な自然現象のひとつである「量子もつれ」の解明に画期的な貢献をした3人の科学者に贈られました。

量子もつれとは、簡単に言うと、量子もつれのペアのうち、一方の粒子が他方の粒子に依存し、その粒子がどれだけ離れていても、またその間に何があっても、他方の粒子が依存することを意味します。

例えば、電子や光子などの粒子は、ある方向に「回転」しているか、別の方向に「回転」しているかといった状態にある。


量子もつれの不思議なところは、もつれたペアの一方の粒子について何かを測定すると、たとえそれが何百万光年も離れていても、もう一方の粒子についてすぐに何かがわかることだ。

2つの粒子の間のこの奇妙なつながりは瞬時であり、一見、宇宙の基本法則を破っているかのようである。アルバート・アインシュタインは、この現象を

 "spooky action at a distance"（距離による不気味な作用）と名付けました。

今年のノーベル賞受賞者であるアラン・アスペクト、ジョン・クラウザー、アントン・ザイリンガーの研究により、物理学者は量子現象を非常に高い確度で世界の知識に統合することができるようになったと称されました。

しかし、1970年代までは、量子もつれが本当に起こるのかどうか、研究者の間でもまだ意見が分かれていたのです。アインシュタインでさえ量子もつれを疑っていたくらいです。しかし新しい実験技術の開発と大胆な研究者によって、この謎はようやく解き明かされたのです。

素粒子は一度に複数の状態で存在する


量子もつれの不気味さを理解するためには、まず、量子重ね合わせについて理解することが重要です。

量子重ね合わせとは、粒子が一度に複数の状態で存在するという考え方。測定が行われるとき、粒子はあたかも重ね合わせの中の1つの状態を選択するようなものです。

例えば、多くの粒子にはスピンと呼ばれる属性があり、分析器の向きが変わると「上」か「下」のどちらかに測定されます。しかし、粒子のスピンを測定するまでは、粒子は同時にスピンアップとスピンダウンの重ね合わせの状態で存在するのです。

それぞれの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。一回の測定でアップかダウンになる可能性は、これらの確率に依存するが、それ自体は予測不可能です。

非常に奇妙ではありますが、数学と膨大な数の実験により、量子力学が物理的現実を正しく記述していることが示されているのです。




量子の重ね合わせの現実

量子もつれの不気味さは、量子重ね合わせの現実に由来しており、1920年代から1930年代にかけて理論を発展させた量子力学の創始者たちにとっても明らかなことでした。

もつれた粒子を作るには、基本的にシステムを2つに分割し、その和を求めます。

例えば、スピンがゼロの粒子を2つの粒子に分割すると、スピンは必ず反対になり、和がゼロになります。

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量子もつれの一見不合理な点を説明するために考案した思考実験について、論文を発表しました。

この思考実験の簡略版は、デイヴィッド・ボームによるもので、π中間子と呼ばれる粒子の崩壊を考察しています。

この粒子が崩壊すると、反対のスピンを持つ電子と陽電子が生成され、互いに遠ざかる。したがって、電子のスピンがアップであると測定された場合、陽電子のスピンはダウンであるとしか考えられないし、その逆もまた然りなのです。これは、たとえ粒子が何十億マイルも離れていても同じことです。

もし、電子のスピンが常にアップで、陽電子のスピンが常にダウンであれば問題ないのですが、量子力学では、電子のスピンがアップであっても、陽電子のスピンがダウンであっても、電子のスピンがダウンであれば問題ありません。

しかし、量子力学では、測定が行われるまでは、各粒子のスピンはアップでもありダウンでもあるのです。

これは、光速よりも速く移動する何らかの手段によって、粒子が互いに通信していることを示唆しているように思われます。

でも物理学の法則によれば、光速より速く移動できるものはないのです。ある粒子の状態を測定しても、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のではないでしょうか？

アインシュタインを含む物理学者たちは、1930年代に、量子もつれに関するさまざまな解釈を提案しました。彼らは、測定前の粒子の状態を決定する未知の性質（「隠れた変数」と呼ばれる）が存在するという説を唱えていました。

しかし、当時の物理学者には、量子論に「隠れた変数」を含める必要があるかどうかを検証する技術も、明確な測定の定義もなかったのです。

量子論は修正する必要があったのか？

その答えの糸口が見つかるのは、1960年代に入ってからのことです。

アイルランドの天才物理学者で、惜しくもノーベル賞を逃したジョン・ベルは、「隠れた変数」の概念が意味を持つかどうかを検証する方法を考案しました。

ベルは、現在「ベルの不等式」として知られている方程式を作ったのです。

この方程式は、隠れた変数理論に対しては常に正しいが、量子力学に対しては必ずしも正しくないというものです。

したがって、もしベルの方程式が実際の実験で満たされないことがわかれば、局所的な隠れた変数理論は量子もつれの説明として除外することができるのです。

2022年のノーベル賞受賞者たち、特にアラン・アスペクトの実験は、ベルの不等式を検証する最初の実験でした。

この実験では、多くの思考実験に見られるような電子と陽電子のペアではなく、もつれ合った光子が用いられました。

その結果、「隠れた変数」と呼ばれる、もつれた粒子の状態を決定してしまう不思議な属性の存在を否定することに成功したのです。

これらの実験とその後の多くの実験を総合すると、量子力学の正当性が証明されたことになります。量子力学以前の物理学では説明のつかない方法で、物体は遠く離れた場所でも相関することができるということが証明されたのです。

重要なのは、光よりも速い通信を禁じている特殊相対性理論との矛盾がないこと。

遠距離での測定に相関があるからといって、粒子間の情報伝達が行われるわけではないのです。遠く離れた者同士が、もつれた粒子を測定しても、その現象を利用して光速よりも速い情報を伝達することはできないのです。

現在、物理学者は量子もつれの研究を続け、実用的な応用の可能性を探っています。

量子力学は、測定の確率を驚くほど正確に予測することができますが、多くの研究者は、量子力学が現実を完全に記述しているのかどうか、いまだに懐疑的です。

しかし、ひとつだけ確かなことがあります。量子力学の謎は、まだまだ解明されていません。この学問はまだまだ研究の余地が膨大に残されているのです。

われと思わん方は、今からでも世紀の大発見にチャレンジしてみてはいかがでしょうか？