量子力学が過去は現実ではないと言う理由

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アドルフ・ヒトラーは 1945 年 4 月 30 日に亡くなりました。少なくとも、それが公式の歴史に記載されています。しかし、少数の歴史家は証拠に異議を唱え、総統は戦争で荒廃したベルリンを逃れ、どこかに隠れて暮らしていたと主張した。後者の説明は今日、根拠のない陰謀論として広く却下されていますが、議論の余地のある証拠が何であれ、少なくとも「問題の事実」が存在したことを合理的な歴史家は疑うことはありません。ヒトラーはその日に死んだか死ななかったかのどちらかだ。 1945 年 5 月 2 日にヒトラーが生きていて死んでいたと言うのは意味がありません。しかし、アドルフ・ヒトラーをエルヴィン・シュレディンガーの有名な猫に置き換えると、歴史的な「問題の事実」はひどく曖昧になってしまいます。

シュレーディンガーは、歴史上最も成功した科学理論である量子力学の創始者の一人です。それは化学、素粒子物理学、材料科学、分子生物学、そして天文学の多くを支えており、レーザーからスマートフォンに至るまで、私たちに目もくらむような技術的驚異をもたらしてきました。問題は、量子力学はあらゆる勝利を収めてきたにもかかわらず、どん底では意味をなさないように見えることです。

日常生活において、私たちは、テーブルや椅子などの物体が、誰かが見ているかどうかとは関係なく、位置や方向など、明確に定義された特性を持っている「外」の現実世界があると想定しています。巨視的な世界で物体を観察するとき、私たちは単に既存の現実を明らかにするだけです。しかし、量子力学は原子と素粒子のミクロの世界を扱い、そこでは現実が蒸発して不確実性と曖昧さになります。

量子的不確実性は、未来が現在によって完全に決定されるわけではないことを意味します。たとえば、電子が既知の速度で薄い障壁に発射された場合、電子は跳ね返されるか、障壁をトンネルで通過して向こう側に飛び去る可能性があります。あるいは、原子が励起状態になった場合、マイクロ秒後にはまだ励起されているか、崩壊して光子を放出している可能性があります。どちらの場合も、どちらが当てはまるかを確実に予測することはできません。ベッティングオッズのみを指定できます。

そして、ほとんどの人は、未来がある程度開かれているということを安心して受け入れます。しかし、量子ファジーさはまた、 過去 取引が完了したわけでもない。十分に細かいスケールで見ると、歴史は別の現実の融合物、専門的には重ね合わせと呼ばれるものに溶けていきます。

量子ミクロ世界のぼやけは、測定が行われると鮮明に焦点を合わせます。たとえば、電子の位置測定を実行すると、電子が特定の位置にあることが判明する場合があります。しかし、量子力学によれば、それは電子が存在したことを意味するわけではありません。 すでにそこにあります 測定に先立って、観察によって正確に場所が明らかになるだけです。むしろ、測定は、位置のない以前の状態から、ある場所にある電子になるように投影します。

だとしたら、観測される前の電子についてはどう考えるべきでしょうか？空間全体に分散した大量の半現実の「ゴースト電子」がそれぞれ異なるものを表していると想像してください。 潜在的 現実は、宙ぶらりんの状態にある。これは、電子が一度に多くの場所に存在すると表現されることがあります。それから – なんと！ – 特定の「勝者の幽霊」を具体的な現実に昇華させ、競合他社を全滅させるために測定が行われます。

実験者には結果について選択の余地はありますか?勝者のゴーストを選ぶ場合はそうではありません。それはランダムな偶然にかかっています。しかし、それでもやはり選択の要素が関係しており、それは量子現実を理解する上で極めて重要です。位置測定を実行する代わりに、実験者が電子の速度を測定することを選択した場合、ファジーな以前の状態が再び鮮明な結果にスナップします。ただし、今回は、場所にある電子ではなく、速度のある電子が作成されます。そして、速度のある電子は波のように振る舞うことがわかりました。それは、粒子である場所にある電子と同じ実体ではありません。明らかに、電子はどういうわけか波でもあり粒子でもあります。彼らがどのような側面を示すかは、誰かが彼らをどのように尋問するかを選択するかによって異なります。

結論：電子に何が起こるかは、電子が波のように振る舞うか、粒子として進むかにかかわらず、実験者が電子を観察するためにどのタイプの測定を実行するかを決定するかどうかによって決まります。確かに奇妙なことですが、ここが本当に奇妙なところです。 もっている 原子に起こった 前に 測定は実験者の決定に依存します。つまり、電子の性質は、 過去に – 波か粒子 – はその選択によって決まります。まるで何かが過去に遡り、「外」の世界のあり方に影響を与えているかのように見えます。 だった、測定前。

これはタイムトラベルですか？遡及因果関係？テレパシー？これらすべての言葉は、量子物理学に関する人気の記事で乱用されますが、最も適切な説明は、ブラックホールという用語を作った物理学者、ジョン・ウィーラーによって与えられました。「過去は、現在に記録される以外には存在しない」と彼は宣言しました。

ウィーラー氏の説明は格言として深遠に聞こえますが、それを証明する実際の実験はあるのでしょうか? 1980年にボルチモアのヒルトン・ホテルで朝食をとったときにウィーラー本人から初めて聞いたように、確かに存在するのだ。食事は、この男らしい不可解な質問で始まった。「どうやって光子の幽霊を抑えるの？」彼は尋ねた。私が当惑しているのを見て、ウィーラーは古典的な量子実験のために思いついた斬新なひねりについて説明を続けた。光を使うのが最も簡単ですが、電子や原子全体を使っても同様に行うことができます。

この実験は、1801 年に英国の博学者トーマス ヤングによって初めて行われ、光の波動性を実証する試みです。ヤング氏は、2 つの狭いスリットが近接して開けられたスクリーンを設置し、ピンポイントの光で照らしました。光はスリットを通過し、光源から少し離れた 2 番目のスクリーンに当たります。ヤングは何を見たのでしょうか？ご想像のとおり、2 つの汚れた光の帯ではなく、干渉縞と呼ばれる一連の明るい縞模様と暗い縞模様です。それらは、各スリットを通過する光波が広がり、ピークからピーク、谷から谷へと段階的に到達するところでは光波が強化されて明るいパッチを作り、段階を外して到達するところでは打ち消し合って暗いパッチを生成するために発生します。

量子力学は、物理学者が光が波で構成されているのか、それとも光子と呼ばれる粒子で構成されているのかを議論したときに始まりました。電子と同じように、答えは両方であることがわかっています。そして現代のテクノロジーを使えば、ヤングの実験を一度に 1 光子ずつ行うことができます。それぞれの光子は 2 番目のスクリーン上に小さな点を作り、時間が経つにつれて多くの点が斑点状のパターンを築き、ヤングが発見した独特の縞模様を表示します。これは不可解に思えます。光子が小さな粒子であれば、必ず通過するはずです。 どちらか スリット1本 または もう一方。しかし 両方 干渉縞を作るにはスリットが必要です。

では、賢い実験者が特定の光子がどのスリットを通過するかを調べようと決めたらどうなるでしょうか?これは、スリットの近くに検出器を配置することによって容易に達成できます。それが完了すると、干渉縞は消えます。干渉の検出により、事実上、光子が粒子として現れるようになり、その波のような性質が排除されました。電子でもまったく同じことができます。電子がどのスリットを通過したのかを調べても縞模様が見つからなかったり、各電子の経路をあいまいにして縞模様を観察したりできます (多くの電子がパターンを構築した後)。したがって、実験者は、光子が光子ごとに、または電子が電子ごとに、画像スクリーンに衝突したときに波のように振る舞うか粒子のように振る舞うかを決定することができます。

さて、ウィーラーのひねりに移ります。見るか見ないかという決定は、事前に行う必要はありません。実際、光子 (または電子) がスリット システムを通過し、画像スクリーンに到達するまで放置することができます。実際、実験者は過去を振り返って、どのスリットから光子が発せられたのかを確認するかどうかを選択できます。この設定は、当然のことながら遅延選択実験の名前で呼ばれていますが、実行され、予想通りの結果が得られました。実験者が覗こうと決めたとき、光子は集合的に縞を形成しません。観察されなくなると、観察されます。結論は？という現実 だった – 光が両方のスリットを通過する波のように振る舞うか、または一方を通過する粒子のように振る舞うかは、実験者の後の選択によって決まります。実際の実験では、結果を歪める可能性のあるバイアスを避けるために「選択」が自動化されランダム化されており、すべてが人間の反応時間よりも早く行われるため、言及しておきます。

遅延選択実験では過去は変わりません。むしろ、実験がなければ、多くの過去、つまり複数の入り混じった現実が存在します。何を測定するかを選択すると、それらの履歴の一部が淘汰されます。この選択の効果は、過去の量子あいまいさの一部を軽減し、固有の履歴を決定できない場合でも、少なくとも候補の数を絞り込むことです。このため、この実験は量子消しゴム実験と呼ばれることもあります。

実際の実験では、遡及時間はわずかナノ秒程度ですが、原理的には宇宙の起源にまで遡ることができます。そして実際、それがフォトンの幽霊を保持することに関するウィーラーの不可解な質問の背後にある意味だった。彼は、遠く離れた宇宙の光源が、介在するブラック ホールによって私たちの視点から重力レンズ化され、地球上に収束する前にブラック ホールの反対側の周りで曲がる 2 本の光路を想定しました。これは、宇宙規模での 2 スリット実験に似ています。光子の幽霊はあるルートで到着するかもしれないが、別の幽霊が別の、おそらくより長いルートを通ってここに到着するにはさらに1か月かかるかもしれない。このような宇宙干渉実験を実行するには、元のヤングの実験のように、波が同時に重なり合うように、最初のゴーストを何らかの方法で保存、または「保持」して、2 番目のゴーストの到着を待ってからそれらを結合する必要があります。

アインシュタインはかつて、過去、現在、未来は幻想にすぎないと書きました。その点において彼は間違っていた。間違いは「the」という単語にあります。 あ 過去は今日の歴史記録の中に存在しますが、それは巨視的なスケールで独自の物語を形成する方法で束ねられた、膨大な数の混合された「幽霊の過去」で構成されています。しかし、量子レベルでは、それは人間の経験を超えた、ぼやけた部分現実の集合体へと消えていきます。

ポール・デイヴィスは、理論物理学者、宇宙学者、宇宙生物学者であり、ベストセラー作家でもあります。彼の著書『Quantum 2.0』は、2025 年 11 月にペンギン社から出版されました。