量子ピーク対決：今回もアインシュタインは理解できなかった！

制作：中国科学普及協会

著者: ルアン・チュンヤン (清華大学物理学科)

プロデューサー: 中国科学博覧会

前回の話では、アインシュタインに代表される量子物理学派とボーアに代表される古典物理学派の理論を振り返り、初の量子ピーク対決の興奮を味わいました。

アインシュタインは、物理世界は「決定論的」であるべきであり、物理法則は厳密な「現実」と「局所性」に従わなければならないという古典物理学の単純な哲学的見解を固く信じていました。ボーアは、ミクロの世界はもはやマクロの世界の古典物理学の理論によって記述されるべきではなく、むしろ量子力学の「確率」によって記述されるべきであると強調した。したがって、古典物理学の観点からは、ミクロな量子世界の不思議な出来事について考えることはできなくなります。

量子「波動関数」の模式図

（写真提供：veerフォトギャラリー）

最初の量子対決では、アインシュタインが属していた古典物理学学派は優位に立つことはできなかった。しかし、アインシュタインは突然ひらめき、自分が得意とする特殊相対性理論から始めて、ボーアとの2度目の、よりエキサイティングな量子対決を始めることにしました。

アインシュタイン：信じないんです。特殊相対性理論を私よりよく理解できる人は誰でしょうか？

1921年、アインシュタインは光電効果の問題を解決したことでノーベル物理学賞を受賞しました。しかし、アインシュタインのよりよく知られている科学的業績は、特殊相対性理論です。

特殊相対性理論における「時間円錐」の模式図

(画像出典: Wikipedia)

特殊相対性理論は、アインシュタインが最も得意とし、最も満足した理論の一つであると言えます。特殊相対性理論は非常に奥深く複雑ですが、その導出と議論のプロセスを詳細に検討する必要はありません。最も重要な点だけを知っておく必要があります。

つまり、光の速度は宇宙で最も速い速度であり、あらゆる情報伝達の速度は光の速度を超えることはできません。したがって、アインシュタインは、非常に離れた 2 つの物体の場合、それらの間で情報を伝送できる最速の速度は光速を超えることはできないと確信を持って強調しました。

EPRパラドックス：古典物理学の第二の課題

量子もつれの意味を覚えていますか？量子力学の理論体系では、一対の微小粒子が相互作用する場合、それらの粒子がどれだけ離れていても、一方の微小粒子が変化すると、もう一方の微小粒子も直ちに変化すると説明しました。私たちが住むマクロな世界の観点から見ると、この量子もつれのある微小粒子のペアは、どれだけ離れていても常に瞬時に情報を伝達しているように見えます。

しかし、「光の速度は宇宙で最も速い速度である」という特殊相対性理論の核心的な考え方によれば、量子もつれ状態にあるこの一対の微小粒子間では、超光速の瞬間的な情報通信が存在することは不可能です。したがって、量子もつれの概念は間違っているに違いありません。

そこで 1935 年に、アインシュタインはポドルスキーとローゼンという 2 人の有能な助手を見つけました。 ２人はアインシュタインと協力して、３人の科学者の名前の頭文字をとって「EPRチャレンジチーム」を結成し、古典物理学派への２度目の挑戦を始める準備をした。

アインシュタイン、ポドルスキー、ローゼン

(画像出典: Wikipedia)

彼ら3人は素晴らしい思考実験を思いついた。今回は特殊相対性理論が正しいので量子もつれは存在しないため、彼らは勝てると自信を持っています。この有名な思考実験は「EPR パラドックス」としても知られています。

1935 年のニューヨーク タイムズ紙の「EPR パラドックス」に関する見出し

(画像出典: Wikipedia)

EPR パラドックスの実験的仮定は、地球上の不安定な大きな粒子が崩壊すると、崩壊する大きな粒子が 2 つの小さな粒子 A と B を生成し、発生源から 2 つの反対方向に飛び出すというものです。しかし、物理量は常に保存則を満たします。つまり、粒子 A と B は同じ大きな粒子の崩壊によって形成されるため、粒子 A と B の物理量の合計は常に変化しないはずです。

量子もつれの概念図

（写真提供：veerフォトギャラリー）

しかし、すぐに面白いことが起こり始めました！

粒子Aと粒子Bが反対方向に移動して、十分な距離を飛行している場合（たとえば、粒子Aは金星まで飛行し、粒子Bは火星まで飛行している場合）、粒子Aと粒子Bが光の速度で互いに情報を伝達したい場合でも、ある程度の時間がかかり、相互作用が瞬時に完了することは不可能です。

このとき、金星にある粒子Aのある物理量を測定すれば、物理量保存則により、はるか遠くの火星にある粒子Bの状態をすぐに知ることができます。しかし、アインシュタインの特殊相対性理論の基本原理によれば、粒子 A と B の間のこの長距離相互作用は瞬時に発生することはありません。

上記のすべてに同意する場合、唯一の可能性は、粒子 A と B が互いに分離する前の瞬間に、いわゆる確率的重ね合わせ状態ではなく、それぞれ特定の状態にあるということです。

したがって、古典物理学学派は、量子力学における確率原理は本質的な特徴ではなく、単なる表面的な現象に過ぎないことを強調しています。

ボーアの反撃：私が特殊相対論を理解していないのではなく、あなたが量子力学を理解していないのだ

古典物理学派が仕掛けた第二の対決の挑戦に直面して、ボーアを代表とする量子物理学派は不安を抱かざるを得なかった。これは、EPR パラドックスの思考実験が非常に説得力があり、特殊相対性理論が正しいことが証明されているためです。これは量子力学における量子もつれが本当に間違っていることを意味するのでしょうか?

ボーアはすぐにパニックから落ち着きを取り戻し、EPRパラドックスを再検討した。その後間もなく、ボーアはこの思考実験に大きな抜け穴があることを鋭く発見しました。

不安定な大きな粒子が崩壊して 2 つの粒子 A と B に分かれるとします。粒子 A と B が一定時間反対方向に飛行した後、粒子 A は金星に到達し、粒子 B も火星に到達します。アインシュタインは正しかった。粒子Aと粒子Bは物理量保存の法則を満たしているので、遠く離れた火星にある粒子Bの状態をすぐに知るには、金星の粒子Aの状態を測定するだけでよいのです。

量子もつれの概念図

（写真提供：veerフォトギャラリー）

これは特殊相対性理論における光速が最速であるという原理に違反しているように見えますが、実際にはそうではありません。これは、量子もつれをマクロな世界の観点から理解することはもはや不可能だからです。実際、量子もつれはミクロの世界にのみ存在し、システム全体の物理量を記述するために使用されます。言い換えれば、遠距離にある 2 つの粒子のランダムな動作には常に一定の相関関係があり、2 つの独立した粒子として扱い、2 つの粒子間の情報伝達の問題を考慮するのではなく、全体として記述する必要があります。

したがって、古典物理学の観点から 2 つの粒子の状態を別々に観察すると、「EPR パラドックス」のエラーが発生します。つまり、 「EPRパラドックス」における量子もつれは特殊相対性理論に違反するものではないが、アインシュタインはマクロな世界の観点から、ミクロな世界における量子もつれの意味を誤って理解していたことになる。

明らかに、第2のピーク対決では、アインシュタインが代表する古典物理学派は勝利しませんでした。しかし、古典物理学派が提案した一連の興味深い思考実験があったからこそ、量子物理学派は量子力学の「量子もつれ」理論について継続的に考え、改良するようになったのです。

ある意味、こうした頂上決戦は単なる物理理論の論争ではなく、新旧の時代における二つの考え方の衝突でもある。量子力学における量子もつれの驚異に、アインシュタインはため息をつきました。「神様でさえサイコロを振るとは思えない。」

マクロの世界でサイコロがランダムに落ちる

（写真提供：veerフォトギャラリー）

結論

次々と頂点を極めた対立を経て、物理学者たちは量子物理学派の見解を認めざるを得なくなったが、それでも心の中でそれを受け入れるのは困難だった。なぜなら、量子力学の「量子もつれ」理論はとても素晴らしいのですが、マクロの世界では私たちの感覚に反するものだからです。

そこで、アメリカの物理学者ボームは、古典物理学と量子物理学の観点を組み合わせて両者が満足する解決を達成することを望み、興味深い「隠れた変数」仮説を提唱した。

それで、ボームは成功するでしょうか?その答えは、「量子もつれ三部作」の最後の部分で明らかにしましょう！