量子物理学に関する4つの共通した誤解

量子力学は、原子や粒子のミクロの世界を支配する理論で、確かに「X」ファクターを持っている。他の多くの物理学の分野とは異なり、奇抜で直感に反しているため、まぶしくて興味をそそられるのだ。2022年にアラン・アスペ、ジョン・クラウザー、アントン・ツァイリンガーの3人が量子力学に光を当てた研究でノーベル物理学賞を受賞したとき、興奮と議論が巻き起こった。

しかし、量子力学に関する議論は、チャットフォーラムであれ、メディアであれ、SFであれ、根強い神話や誤解のおかげで、しばしば混同されることがある。ここでは、その4つを紹介する。

（1）ネコは死んでもいるし生きてもいる

エルヴィン・シュレーディンガーは、彼の思考実験である「シュレーディンガーの猫」が21世紀にインターネット上でミーム的な地位を獲得するとは、おそらく予想だにしなかったことだろう。

この実験では、ランダムな量子現象（例えば放射性崩壊）によって作動する殺人スイッチの付いた箱に閉じ込められた不運なネコは、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。

量子粒子は、2つの状態、例えば2つの場所に同時に存在できることが以前から知られている。これを私たちは「重ね合わせ」と呼んでいる。

科学者たちは、有名な二重スリット実験でこれを示すことができた。光子や電子のような単一の量子粒子は、壁に設けられた2つの異なるスリットを同時に通過することができるのだ。なぜ、そんなことがわかるのか？

量子物理学では、それぞれの粒子の状態も波であると考える。しかし、光子を1個ずつスリットに通すと、スリットの後ろのスクリーン上に2つの波が干渉し合うパターンができる。各光子はスリットを通過する際に他の光子と干渉しなかったので、同時に両方のスリットを通過し、自分自身と干渉したことになる(下の画像)。

しかし、これを実現するには、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「コヒーレント」であること、つまり、互いに明確に定義された関係を持つ必要があるのだ。

このような重ね合わせの実験は、大きさや複雑さを増していく物体を用いて行うことができる。1999年にアントン・ツァイリンガーが行った有名な実験では、「バッキーボール」と呼ばれる炭素60の大きな分子で量子重ね合わせが実証された。

では、われわれの猫にとってはどうなのだろう？私たちが箱を開けない限り、猫は生きもすれば死にもするのだろうか？明らかに、猫は研究室で制御された環境にある個々の光子とは異なり、より大きく、より複雑な存在である。猫を構成する何兆何千万もの原子が互いに持つかもしれないコヒーレンスは、極めて短命である。

このことは、量子コヒーレンスが生体系で不可能であるということではなく、猫や人間のような大きな生物には一般に適用されないということを意味している。

（2）単純なアナロジーでエンタングルメントを説明できる

エンタングルメントとは、2つの異なる粒子を結びつける量子的性質のことで、一方の粒子を測定すると、もう一方の粒子の状態が自動的に、しかもどれだけ離れていても瞬時に分かるようになる。

エンタングルメントの一般的な説明としては、サイコロやカード、あるいは2足の奇数色の靴下など、古典的なマクロの世界にある日常的な物体が登場する。例えば、ある封筒に青いカード、別の封筒にオレンジ色のカードを入れたと友人に告げたとする。友人が封筒を開けて青いカードを見つけると、あなたがオレンジカードを持っていることがわかる。

しかし、量子力学を理解するためには、封筒の中の2枚のカードが、オレンジと青が同時に存在する（具体的にはオレンジ／青、青／オレンジ）共同重ね合わせ状態にあることを想像する必要があるのだ。片方の封筒を開けると、ランダムに決められた1つの色が現れる。しかし、2枚目を開けると、やはり1枚目のカードと「不気味に」リンクしているので、必ず反対の色が出てくる。

別の種類の測定をするように、カードを別の色で表示するように強制することができる。封筒を開けて、こう質問してみよう。「あなたは緑のカードですか、それとも赤いカードですか？」緑か赤か、答えはまたランダムだ。しかし、重要なことは、もしカードがもつれ合ったとしても、もう一枚のカードが同じ質問をすると、常に反対の結果を出すということだ。

アインシュタインは、この現象を古典的な直感で説明しようとした。つまり、カードには隠された内部命令セットがあり、ある質問に対してどのような色で表示されるかを教えている可能性があるというのだ。また、アインシュタインは、カード同士が瞬時に影響を与え合うような「不気味な」作用を否定した。これは、アインシュタインの理論では禁じられている、光速よりも速い通信を意味する。

しかし、その後、ベルの定理（物理学者ジョン・スチュワート・ベルが考案した理論的検証）や2022年のノーベル賞受賞者たちの実験によって、アインシュタインの説明は否定されることになった。もつれた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わるというのは、真実ではない。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に相関しているだけで、アインシュタインが考えたように、隠れた暗号を含みながら通信しているわけではないのだ。つまり、アインシュタインが考えていたような、隠された暗号を含みながら通信することはない。なので、量子もつれについて考えるときには、日常の物体のことは忘れよう。

（3）自然は非現実的で「非局所的」である

ベルの定理は、自然は「局所的」ではないこと、つまり、物体はその周囲の環境から直接影響を受けるだけではないことを証明しているとよく言われる。また、量子力学的な物体の性質が「現実的」ではないこと、つまり、測定前には存在しないことを意味していると解釈することも多い。

しかし、ベルの定理は、量子物理学が意味する自然は実在せず、局所的でもないということを、同時にいくつかの仮定をすることによってのみ可能にする。これらの仮定には、測定の結果は1つだけであり（複数ではなく、おそらく並行世界）、原因と結果は時間的に先に流れるという考えや、私たちは有史以来すべてが決まっている「時計仕掛けの宇宙」に住んでいるわけではない、という考えなどが含まれる。

ベルの定理にもかかわらず、時間が進むなど、私たちが常識と考える他のいくつかの事柄を破ることを許したなら、自然は現実的で局所的なものであるかもしれません。そして、さらなる研究によって、膨大な数の量子力学の解釈の可能性が絞り込まれることが期待される。しかし、例えば、時間が逆流するとか、自由意志がないとか、机上の空論のほとんどは、少なくとも局所的な現実という概念をあきらめるのと同じくらいばかげたことなのだ。

（4）誰も量子力学を理解していない

物理学者リチャード・ファインマンの言葉であるが、ニールス・ボーアの言葉でもある。「量子力学を理解したと思っている人は、量子力学を理解していない」。

このような見方は、世間一般に広く受け入れられている。量子力学は、物理学者を含めて、理解することは不可能だと思われている。しかし、21世紀の視点から見ると、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ない。。量子現象を高い精度で予測し、非常に複雑な量子系をシミュレートし、量子コンピュータを作り始めることができるほど、極めてよく理解されているのだ。

重ね合わせや量子もつれは、量子情報という言葉で説明すれば、高校生の数学以上のことは必要ない。ベルの定理は、量子物理学を全く必要としない。確率論と線形代数を使って、数行で導出できる。

真の困難は、量子物理学と我々の直感的な現実をいかに調和させるかにあるのだろう。答えが見つからなくても、量子技術の進歩は止まらない。黙って計算すればいいのだ。

幸いなことに、ノーベル賞受賞者のアスペ、クラウザー、ツァイリンガーは、黙って「なぜ」と問い続けた。彼らのような人たちが、量子の奇妙さと私たちの現実の経験との調和を図るのを助ける日が来るかもしれないのだ。

本記事はThe Conversationに掲載された記事「Four common misconceptions about quantum physics」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。