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物理学が成立するためには、未来が過去に影響を与える可能性があると仮定する必要があると専門家は考えている

2022年、ノーベル物理学賞は、量子の世界が宇宙の仕組みに関する私たちの基本的な直感の一部を打ち破らなければならないことを示す実験的研究に対して授与された。

多くの人は、これらの実験を見て、「局所性」、つまり、遠く離れた物体が相互作用するためには物理的な媒介物が必要だという直観に挑戦していると結論づける。そして実際に、遠く離れた粒子間の不思議なつながりは、これらの実験結果を説明する一つの方法となるだろう。

また、この実験が「現実主義」、つまり、私たちの経験の根底には客観的な状態が存在するという直観に反すると考える人もいる。結局のところ、私たちの測定値が何か実在するものに対応していると考えられる場合にのみ、この実験は説明が難しくなるのだ。いずれにせよ、多くの物理学者が、局所的実在論の「実験による死」と呼ばれていることに同意している。

しかし、もしこの2つの直観が、3つ目の直観を犠牲にしてでも救われるとしたらどうだろう。専門家の間では、「現在の行動が過去の出来事に影響を与えることはない」という仮定を捨てるべきだと考える人が増えてきている。「逆因果律(英: Retrocausality)」と呼ばれるこの選択肢は、局所性とリアリズムの両方を救うと主張する。

因果関係

そもそも因果関係とは何なのか?まずは誰もが知っているセリフ、「相関関係は因果関係ではない」から始めよう。相関関係には因果関係があるものもあるが、すべてではない。その違いは何だろうか?

2つの例を考えてみよう。(1) 気圧計の針と天気には相関関係がある-だから私たちは気圧計を見ることで天気を知ることができる。しかし、誰も気圧計の針が天候を引き起こしているとは思っていない。(2) 濃いコーヒーを飲むと心拍数が上がるという相関がある。ここでは、1つ目が2つ目を引き起こしていると言うのが正しいようだ。

違いは、気圧計の針を「くねくね」動かしても、天気は変わらないということだ。天気と気圧計の針は、どちらも第三のもの、つまり気圧によってコントロールされている。私たちが自分で針をコントロールすると、気圧とのリンクが切れてしまい、相関関係がなくなってしまうのだ。

しかし、ある人のコーヒーの消費量を変えるために介入すれば、通常、その人の心拍数も変化することになる。因果関係のある相関関係とは、変数の一つを変化させても成立するものである。

最近では、このような強固な相関関係を探す科学は「因果関係発見」と呼ばれている。これは、「身の回りのものを動かすと、他に何が変わるかを調べる」というシンプルなアイデアを、大げさに表現したものだ。

普段の生活では、「くねくねの影響は、くねくねそのものよりも遅れて現れる」ということを当たり前のように思っている。これはあまりにも自然な仮定であるため、私たちは自分がそうしていることに気づかないのだ。

しかし、科学的手法の中にはこのようなことを要求するものはなく、ファンタジー小説の中では簡単に放棄されてしまうのだ。同様に、ある宗教では、例えば、昨日の難破船の生存者の中に愛する人がいるように祈る。私たちが今することが、過去の何かに影響を与えることを想像しているのだ。それが“逆因果関係”だ。

量子逆行性

量子力学による局所性の脅威(離れた物体が相互作用するためには物理的な仲介者が必要である)は、1960年代に北アイルランドの物理学者ジョン・ベルが主張したことに由来する。ベルは、アリスとボブという2人の仮想的な物理学者が、それぞれ共通の発生源から粒子を受け取る実験を考えた。それぞれがいくつかの測定設定の中から1つを選択し、測定結果を記録する。この実験を何度も繰り返すと、結果のリストが作成される。

ベルは、量子力学がこのデータに奇妙な相関関係(現在では確認されている)があることを予言することに気づいた。この相関関係は、アリスが選択した設定がボブの結果に微妙な「非局所的」影響を与え、アリスとボブは何光年も離れているにもかかわらず、その逆もあるということを示唆しているように思えたのだ。ベルの主張は、現代物理学に不可欠なアインシュタインの特殊相対性理論を脅かすものであると言われている。

しかし、それはベルが量子粒子は将来どのような測定に遭遇するかわからないと仮定したからだ。逆因果モデルは、アリスとボブの測定の選択が、ソースに戻った粒子に影響を与えることを提案する。これによって、特殊相対性理論を破ることなく、奇妙な相関関係を説明することができる。

私たちは最近、この奇妙な相関の簡単なメカニズムを提案した。

現在、量子逆行性(retrocausality)を研究する学者たちが盛んに活動している。しかし、より広い分野の専門家の中には、まだその存在を知らない人もいる。「超決定論」と呼ばれる別の見解と混同されることもある。

超決定論

超決定論は、測定の選択と粒子の根本的な性質が何らかの形で相関しているという逆因果関係に同意している。

しかし、超決定論は、それを天気と気圧計の針の相関関係のように扱う。大気圧が天気と気圧計の両方をコントロールするように、私たちの選択と粒子の両方をコントロールし相関させる、何か神秘的な第三のもの-「超決定要因」があると仮定しているのだ。

つまり、超決定論は、測定の選択肢が、私たちの意志で自由にくねらせることができるものであることを否定するもので、それらはあらかじめ決まっているのだ。自由に動かすと、気圧計の場合と同じように、相関が崩れてしまう。批評家たちは、超決定論は科学的な実験を行うために必要な核となる仮定を覆すものであると反論する。また、超決定論は自由意志を否定するものであり、計測の選択も粒子も何かに支配されているからだとも言う。

これらの反論は、逆因果関係には当てはまらない。逆行性論者は、通常の自由でくねくねした方法で科学的な因果関係の発見を行っている。もし、証拠が導くところに従うことを拒否するならば、「科学的方法を忘れているのは、逆行性を否定する人々である」と、私たちは言うだろう。

エビデンス

逆因果関係のエビデンスは?批評家は実験的証拠を要求するが、それは簡単なことで、関連する実験はノーベル賞を受賞したばかりだ。難しいのは、「逆行性」がこれらの結果を最もよく説明できることを示すことだ。

アインシュタインの特殊相対性理論を脅かすものを取り除く可能性について言及したことがある。これはかなり大きなヒントであり、それを探るのにこれほど時間がかかったことは驚きだと私たちは考えている。超決定論との混同が主な原因だと思われる。

さらに、私たちや他の人々は、粒子のミクロの世界が過去と未来の違いを気にしないという事実を、逆因果関係がよりよく理解できると主張している。

順風満帆というわけではない。逆因果関係の最大の心配は、過去に信号を送ることで、タイムトラベルのパラドックスの扉を開いてしまう可能性があることだ。しかし、パラドックスを起こすには、過去における効果を測定しなければならない。もし私たちの若い祖母が、おじいちゃんと結婚しないようにという私たちのアドバイスを読み取ることができなければ、つまり私たちが存在するようにならなければ、パラドックスは生じないのだ。また、量子の場合、すべてを一度に測定することはできないことはよく知られている。

しかし、「一度にすべてを測定することはできない」という制約を強制する具体的な逆行性モデルの考案には、まだ課題がある。そこで、慎重な結論で締めくくる。現段階では、逆因果関係に風が吹いているので、局所性とリアリズムを「実験による死」から救うという最大の賞に向けて、身を固めるのだ。


本記事は、Huw Price氏、Ken Wharton氏らによって執筆され、The Conversationに掲載された記事「Quantum mechanics: how the future might influence the past」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。

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