今年のノーベル物理学賞は、「もつれた光子の実験、ベル不等式の違反の確立、量子情報科学の開拓に対して」授与されることになった。

このことが何を意味するのか、なぜこの研究が重要なのかを理解するためには、物理学者の間で長く続いていた論争に、この実験がどのように決着をつけたのかを理解する必要がある。この論争のキーパーソンは、アイルランド人の物理学者ジョン・ベルだ。

1960年代、ベルは、現実の性質に関する哲学的な問いを、科学が答えられるような物理的な問いに置き換える方法を考え出した。そして、その過程で、世界について我々が知っていることと世界が実際にどうなっているのかということの区別を取り払ったのである。

量子もつれ

私たちは、量子力学的な物体が、私たちが普段使っている物体にはない性質を持っていることを知っている。光は波であることもあれば、粒子であることもある。私たちの冷蔵庫は決してこのようなことはしない。

このような異常な振る舞いを説明しようとする場合、大きく分けて2種類の説明が考えられる。ひとつは、私たちが量子の世界をありのままにはっきりと認識していて、それがたまたま異常だったという可能性。もう一つは、量子の世界は私たちが知っている普通の世界と同じだが、私たちの見方が歪んでいるために、量子の現実をはっきりと見ることができない、という可能性だ。

20世紀初頭、物理学者たちの間では、どちらの説明が正しいか、意見が分かれた。量子の世界をただ異常だと考えるのは、ヴェルナー・ハイゼンベルクやニールス・ボーアといった人物である。一方、量子の世界も普通の世界と同じであり、その見え方は霧に包まれていると考えるのは、アルベルト・アインシュタインやエルウィン・シュレーディンガーである。

この分裂の中心には、量子論の奇妙な予言がある。この理論によると、相互作用するある種の量子系は、その系をかなり遠くに移動させても、その性質が互いに依存し合う。

1935年、シュレーディンガーは、「箱に閉じ込められた猫」という有名な思考実験を考案したのと同じ年に、この現象に対して「量子もつれ（エンタングルメント）」という言葉を作り出した。彼は、世界がこのように機能していると信じるのは不合理であると主張した。

量子もつれの問題点

もし、もつれた量子系が本当に遠く離れていてもつながっているとしたら、それは瞬時に通信しているように見える。しかし、アインシュタインの相対性理論によれば、このようなつながりは許されない。アインシュタインは、この考え方を「spooky action at a distance（不気味な遠隔作用）」と呼んでいる。

1935年、アインシュタインは2人の同僚とともに、量子力学がもつれについてすべてを語っているわけではないことを示す思考実験を考案した。彼らは、この世界にはまだ見えていない何かがあるに違いないと考えたのだ。

しかし、時が経つにつれ、量子力学をどう解釈するかという問題は、学術的な脚色を受けるようになった。1940年代には、量子物理学の優れた頭脳の多くが、その理論を実用的なプロジェクト、すなわち原子爆弾の製造に役立てることに忙しくなっていたのである。

1960年代になって、アイルランドの物理学者ジョン・ベルが「もつれ」の問題に着目し、この一見哲学的な問題に具体的な答えがあることを科学者たちが認識するようになったのである。

ベルの定理

ベルは、1935年にアインシュタインが行った思考実験を、単純なもつれシステムを使って拡張した。彼は、「遠距離における不気味な作用」を禁止しながらも、量子論の予言と一致するような不完全な量子記述はあり得ないことを示した。

アインシュタインにとっては、あまりいいニュースではないようだ。しかし、これで対戦相手が即座に勝利したわけではない。

というのも、1960年代には、量子論の予測が本当に正しいかどうかは明らかでなかったからだ。ベルの主張を本当に証明するためには、現実の物理システムに姿を変えたこの現実に関する哲学的な議論を、誰かが実験的に検証する必要があったのだ。

そこで登場するのが、今年のノーベル賞受賞者2人である。まずジョン・クラウザー、次にアラン・アスペが、ベルの提案した系で実験を行い、最終的に量子力学の予言が正確であることを示したのだ。その結果、”spooky action at a distance “を認めない限り、観測された量子世界を説明できるもつれ量子系の説明は、これ以上ないものとなったのだ。

では、アインシュタインは間違っていたのか？

意外かもしれないが、量子論の進歩は、この点でアインシュタインが間違っていたことを示しているように思える。つまり、私たちは、普通の世界と同じような量子世界を霧のように見ているわけではなさそうなのだ。

しかし、私たちが本質的に異常な量子世界をはっきりと認識しているという考え方も同様に、あまりに単純すぎるのだ。そして、このことは、量子物理学のこのエピソードの重要な哲学的教訓の1つを提供している。

量子世界について、科学的な記述を超えたところで、つまり、量子世界についての情報を超えたところで、合理的に語ることができるのかどうかは、もはや明らかではない。

今年の3人目のノーベル賞受賞者であるアントン・ツァイリンガーは、次のように言っている。

現実と現実に関する知識、現実と情報の区別はできない。現実について我々が持っている情報を使わずに現実を参照する方法はない。

この区別は、私たちが普通に思い描く世界のイメージを支えるものとなっているが、今や取り返しのつかないほど曖昧になっている。ジョン・ベルに感謝しなければならない。

本記事は、Peter Evans氏によって執筆され、The Conversationに掲載された記事「How philosophy turned into physics – and reality turned into information」について、Creative Commonsのライセンスおよび執筆者の翻訳許諾の下、翻訳・転載しています。