原子や素粒子のミクロの世界を支配する理論である量子力学は、何十年にもわたり物理学者を魅了し、困惑させてきました。
しかし、量子力学をめぐる議論は、チャットフォーラムやメディア、SF作品のいずれにおいても、根強い俗説のために混乱しがちです。
本稿では、量子もつれの誤解から「シュレーディンガーの猫」のパラドックスまで、そのうち4つを取り上げます。
原子や素粒子のミクロの世界を支配する理論である量子力学には、確かに特別な魅力があります。物理学の他の多くの分野と異なり、奇妙で直感に反するため、人々を魅了し、興味をそそります。2022年のノーベル物理学賞がアラン・アスペ、ジョン・クラウザー、アントン・ツァイリンガーに授与された際は、量子力学の解明に光を当てた研究に対して与えられたものであり、大きな関心と議論を呼びました。
しかし、量子力学をめぐる議論は、チャットフォーラムやメディア、SF作品のいずれにおいても、根強い俗説や誤解によって混乱しがちです。ここでは4つ挙げます。
1. 猫は生きていると同時に死んでいることがある
エルヴィン・シュレーディンガーは、自身が考案した思考実験が思考実験「シュレーディンガーの猫」として、21世紀にインターネット・ミームとしての地位を得るとは、おそらく予想もしなかったでしょう。
この思考実験は、放射性崩壊などランダムな量子現象によって作動する毒ガス装置を備えた箱に閉じ込められた不運なネコが、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状態にあり得ると示唆するものです。
量子粒子が、同時に2つの状態、例えば2つの場所に存在し得ることは、以前から知られています。これを重ね合わせと呼びます。
物理学者は、有名な二重スリット実験によってこれを示すことに成功しています。この実験では、光子や電子などの単一の量子粒子が、壁にある2つの異なるスリットを同時に通過することがあります。では、なぜそれがわかるのでしょうか。
量子物理学では、各粒子の状態は波でもあります。しかし、光子を一つずつスリットに送り込むと、スリットの背後のスクリーン上で2つの波が互いに干渉するパターンが生じます。スリットを通過する際、各光子は干渉し合う他の光子を持たないため、同時に両方のスリットを通過し、自分自身と干渉したはずだということになります。
ただし、これが成り立つためには、両方のスリットを通過する粒子の重ね合わせにおける状態（波）が、「コヒーレント」である必要があります。つまり、互いに明確に定義された関係を持っていなければなりません。
こうした重ね合わせの実験は、次第に大きく、複雑になる対象を用いて行うことができます。アントン・ツァイリンガーが1999年に行った有名な実験では、「バックミンスターフラーレン」として知られる炭素60の大きな分子を用いて、量子の重ね合わせを実証しました。
では、かわいそうな私たちの猫にとって、これはどういう意味になるのでしょうか。本当に、箱を開けない限り、生きていると同時に死んでいるのでしょうか。当然ながら、猫は制御された実験室環境にある個々の光子とはまったく異なり、はるかに大きく複雑です。猫を構成する何兆もの原子が互いに持つコヒーレンスは、極めて短命です。
これは、生物系において量子コヒーレンスが不可能であることを意味するわけではなく、一般に猫や人間のような大きな生き物には当てはまらないということにすぎません。
2. 単純な例えでもたとえもつれを説明できる
もつれとは、2つの異なる粒子を結びつける量子的性質であり、片方を測定すると、それらがどれほど離れていても、もう片方の状態が自動的かつ瞬時にわかるというものです。
その説明としてよく用いられるのは、日常的な物であり、サイコロ、トランプ、さらには色違いの靴下の組み合わせなど、古典的なマクロの世界のものが例に挙げられます。例えば、一方の封筒に青いカードを、もう一方の封筒にオレンジ色のカードを入れたと友人に伝えたとします。友人が封筒の一つを取り出して開け、青いカードが入っていた場合、あなたがオレンジ色のカードを持っていることがわかります。
しかし、量子力学を理解するには、封筒の中の2枚のカードが同時に重ね合わせの状態にあり、同時にオレンジと青の両方であると想像しなければなりません（具体的には、オレンジ/青と青/オレンジの両方の組み合わせです）。一方の封筒を開けると、ランダムに決まった一つの色が現れます。しかし、もう一方を開けると、常に反対の色が現れます。最初のカードと「不思議なほど」結びついているからです。
カードに別の色の組み合わせを表れさせることもでき、これは別の種類の測定を行うことに相当します。封筒を開けて「あなたは緑のカードですか、それとも赤のカードですか」と問いかけることができます。答えは再びランダムに、緑か赤のどちらかになります。しかし、決定的に重要なのは、カードがもつれていれば、同じ問いを投げかけた場合でも、もう一方のカードは常に反対の結果を示すということです。
アルベルト・アインシュタインは、古典的な直観でこれを説明しようとし、カードには隠された内部の指令セットが与えられていて、特定の問いに対してどの色で現れるかを指示していたのかもしれないと示唆しました。また、カード同士が互いに瞬時に影響を及ぼすように見える「不思議な」作用も否定しました。それは光速を超える通信を意味し、アインシュタインの理論では禁じられているからです。
しかし、アインシュタインの説明は、その後ベルの定理（物理学者ジョン・スチュアート・ベルが考案した理論的検証）と、2022年のノーベル賞受賞者による実験によって否定されました。もつれたカードの一方を測定すると、もう一方の状態が変わるという考えは正しくありません。量子粒子は、日常的な論理や言語では説明できない不思議な形で相関しているにすぎず、アインシュタインが考えたように、隠されたコードを持ちながら通信しているわけではありません。したがって、もつれについて考える際には、日常的な物のことは忘れてください。
3. 自然は非実在的で「非局所的」である
ベルの定理は、自然が「局所的」ではないこと、すなわち、ある物体がその直接の周囲からだけ直接影響を受けるわけではないことを証明するものだとよく言われます。また、一般的な別の解釈として、量子物体の性質は「実在的」ではなく、測定の前には存在しないことを示唆するというものもあります。
しかし、ベルの定理が言えるのはただ、他のいくつかの前提を同時に受け入れる場合に限り、量子物理学は自然が実在的かつ局所的ではないことを意味する、ということだけです。これらの前提には、測定結果は単一のものしかなく（並行世界などで複数あるわけではなく）、原因と結果は時間の流れに沿って前に進み、すべてが誕生の時点から予め決められている「時計仕掛けの宇宙」に我々は生きていない、という考えが含まれます。
ベルの定理にもかかわらず、自然は実在的かつ局所的である可能性が十分にあります。常識と考えられる他のいくつかのもの、例えば時間が前に進むことを破ることを認めるならばです。さらに今後の研究によって、量子力学の膨大な数の解釈候補が絞り込まれることが期待されます。ただし、検討されている選択肢の多くは、例えば時間が逆に流れる、あるいは自由意志が存在しないといったもので、少なくとも局所的実在性という概念を放棄することと同じくらい不合理です。
4. 量子力学を理解している人は誰もいない
有名な言葉（物理学者リチャード・ファインマンに帰せられるものですが、この形ではニールス・ボーアの言葉を言い換えたものでもあります）は、「量子力学を理解したと思うなら、あなたは量子力学を理解していない」と推測しています。
この見解は世間で広く支持されています。量子物理学は、物理学者であっても理解することは不可能だと考えられています。しかし21世紀の視点から見ると、量子物理学は科学者にとって数学的にも概念的にも特別難しいものではありません。私たちは量子物理学を非常によく理解しており、高い精度で量子現象を予測し、極めて複雑な量子系をシミュレーションすることができ、さらには量子コンピューターの開発にも着手しています。
重ね合わせやもつれは、量子情報の言葉で説明すれば、高校の数学以上のものは必要ありません。ベルの定理には、量子物理学の知識はまったく必要ありません。確率論と線形代数を用いれば、数行で導出することができます。
おそらく、真の難しさは、量子物理学と私たちの直感的な現実をどのように整合させるかという点にあります。すべての答えが得られていなくても、量子技術の発展を止めることはできません。私たちは単に黙って計算することができます。
幸いなことに、人類にとって、ノーベル賞受賞者であるアスペ、クラウザー、ツァイリンガーは、黙ることを拒み、なぜかと問い続けました。彼らのような人々が、いつの日か量子の奇妙さと私たちの現実の経験を整合させる手助けをしてくれるかもしれません。
