振り返って |ボーアとアインシュタインの間の1世紀にわたる論争は量子力学にどのような影響を与えたのでしょうか?

137年前の今日（1885年10月7日）、コペンハーゲン学派の創始者でありデンマークの物理学者であるニールス・ボーアが生まれました。量子力学の黎明期、彼は量子力学の理論的根拠と哲学的思想をめぐってアインシュタインと1世紀に渡る論争を繰り広げた。
なぜこの二人の偉大な物理学者は量子論に関して正反対の見解を持っていたのでしょうか?彼らの議論は量子力学の発展にどのような影響を与えたのでしょうか?北京量子情報科学研究所の研究員である張凱氏はかつて、首都第674回科学講堂で「量子技術が世界を変える」と題する講演を行い、この1世紀に及ぶ戦いについて科学の普及の観点から詳しく説明した。一緒に学びましょう！

ボーアとアインシュタインの見解は矛盾している

量子力学によってもたらされた新しい世界観は、19 世紀以降に形成された哲学体系に影響を与えます。世界の本質は決定論的ではなく確率論的です。観察前は、観察対象物の状態は不確実であり、観察を通じてのみ判断できる。物理的プロセスは非局所的であり、遠く離れた物体も量子もつれを通じて瞬時に相互作用することができます。これらはボーアが代表するコペンハーゲン解釈学派の見解です。

反コペンハーゲン解釈学派の代表であるアインシュタインは、「神はサイコロを振らない！」と信じていました。 「月を見ないと月は存在しなくなるのか？」量子もつれは「遠隔幽霊作用」です！

ボーアとアインシュタインの論争

1935年、アインシュタイン、ポドルスキー、ローゼンは共同で論文を発表し、「EPRパラドックス」を提唱し、これに基づいて隠れた変数理論を展開した。 1964 年、ベルというエンジニアが、不等式を使用して隠れた変数が実際に存在するかどうかをテストできると提案しました。
「隠れた変数」の存在を厳密にテストするための数学的標準は、量子システムにおいて、4 つの確率の間に次の関係があるかどうかです。

その場合、隠れた変数が存在する可能性があります。それ以外の場合、隠れた変数は存在せず、量子状態の性質は確率的であることを意味します。

1世紀に及ぶ論争が引き起こした最初の量子技術革命

当時の実験技術では、量子理論の哲学的議論を実際に検証することはできませんでしたが、科学者が量子理論の指導の下で新しい発明を行うことには影響がなく、それが20世紀半ばに始まった最初の量子技術革命の直接的なきっかけとなりました。

その中でも最も代表的な出来事は、1947年に世界初の半導体トランジスタが誕生したことです。半導体の特性は量子力学から導かれるバンド理論によって説明されなければなりません。その後数十年にわたり、半導体技術は急速に発展し、集積回路の誕生から、2,250個のトランジスタを搭載したインテル初のマイクロプロセッサ4004、153億個のトランジスタを搭載したHuaweiのKirin 9000プロセッサに至るまで、半導体技術は情報化時代の基盤であると言えます。

世界初の半導体トランジスタ（1947年）

さらに、量子力学が確立されて初めて、磁気はマクロな量子現象であることが認識されました。電子スピンは磁気モーメントを生み出します。電子は小さな磁針に相当します。物質内の多数の電子磁気モーメントが同じ方向に配列され、マクロ的な磁性を生み出します。量子力学の原理により、電子の磁気モーメントの分布が決まります。そこで私たちは、大量のデータを保存できるハードドライブなどのメディアを発明し、ビッグデータ時代の物質的な基盤を築きました。

さらに、レーザー、核磁気共鳴、超伝導などは、すべて第一次量子技術革命によって生み出された革新的な応用です。量子技術はすでに私たちの生活に浸透していると言えます。

世紀の戦いは終わった

前述のように、ベルが不等式を提案した後、実際には判定されませんでした。この状況は 1970 年代にようやく打破されました。 1972 年、SJ フリードマンと JF クラウザーがベルの不等式の検証実験を初めて実施し、その結果は量子力学を裏付けるものとなりました。 30 年以上にわたって、数多くの実験結果が量子力学を支持し、隠れた変数理論と矛盾してきました。 2015年、オランダのデルフト工科大学のR・ハンセン氏が率いるチームは、ベルの不等式のほぼ完璧な検証を行い、基本的に隠れた変数理論の失敗を宣言した。

アインシュタインは最終的に世紀の論争に敗れたものの、彼の考えは後世に影響を与え、間接的にベルの不等式の創出、そしてベルの不等式に基づく「ベル状態」の創出につながり、現代の量子コンピューティングと量子通信の基礎を築きました。アインシュタインの考えは間違っているが、決して価値がないわけではない。科学的研究は間違いを恐れるのではなく、考えず実践しないことを恐れるのです。