量子力学の直感に反する多くの特徴の中で、おそらく私たちの常識の概念にとって最も難しいのは、粒子は観測されるまで位置を持たないということです。これはまさに、コペンハーゲン解釈と呼ばれることが多い量子力学の標準的な見方が私たちに信じさせていることです。ニュートン物理学の明確な位置と動きの代わりに、波動関数として知られる数学的構造によって記述される確率の雲があります。一方、波動関数は時間とともに進化し、その進化は、シュレディンガー方程式と呼ばれるものに成文化された正確な規則によって支配されます。数学は十分に明確です。粒子の実際の所在はそれほどではありません。波動関数を「崩壊」させる行為である粒子が観測されるまで、その場所については何も言えません。とりわけアルバート・アインシュタインは、この考えに反対しました。彼の伝記作家エイブラハム・パイスは次のように書いています。ある散歩中にアインシュタインが突然立ち止まり、私の方を向いて、私が月を見ているときだけ月が存在すると本当に信じているのかと尋ねたことを思い出します。」
しかし、粒子が常に正確な位置を持っているという別の見方があります。パイロット波理論またはボーム力学として知られるこの別の見解は、コペンハーゲンの見解ほど人気がありませんでした。これは、ボーム力学が世界が他の方法で奇妙であるに違いないことを示唆しているためです。特に、1992 年の研究では、ボーフ力学の特定の奇妙な結果を具体化すると主張されており、そうすることで致命的な概念的打撃を与えています。その論文の著者は、ボーム力学の法則に従う粒子は、量子論のゆがんだ基準から見ても非常に非物理的な軌道をたどり、それを「超現実的」と表現することになると結論付けました。
ほぼ四半世紀後、科学者グループがトロントの研究所でこのアイデアをテストすることを目的とした実験を行いました.そして、今年初めに報告された彼らの結果が精査に耐えれば、ボーム流の量子力学の見解 — あいまいさは少ないが、伝統的な見解よりもいくつかの点で奇妙である — が復活する準備ができている可能性があります.
粒子位置の保存
ボーム力学は 1927 年に Louis de Broglie によって解決され、1952 年に David Bohm によって独立して解決され、1992 年に亡くなるまでさらに発展させられました (ド・ブロイ・ボーム理論と呼ばれることもあります)。 、シュレディンガー方程式によって支配される波動関数があります。さらに、観測されていない場合でも、すべての粒子には実際の明確な位置があります。粒子の位置の変化は、「パイロット波」方程式 (または「ガイド方程式」) として知られる別の方程式によって与えられます。この理論は完全に決定論的です。システムの初期状態が分かっていて、波動関数があれば、各粒子がどこに到達するかを計算できます。
古典力学への先祖返りのように聞こえるかもしれませんが、決定的な違いがあります。古典力学は純粋に「局所的」です — 物が隣接している場合にのみ、他の物に影響を与えることができます (または、電場のような、光の速度よりも速くインパルスを送ることができないある種の場の影響を介して)。対照的に、量子力学は本質的に非局所的です。非局所効果の最もよく知られている例は、アインシュタイン自身が 1930 年代に考えていたもので、1 つの粒子の測定値が別の離れた粒子の状態に影響を与えているように見えるような方法で粒子のペアが接続されている場合です。このアイデアは、アインシュタインによって「遠く離れた不気味な行動」として嘲笑されました。しかし、1980 年代に始まった何百もの実験により、この不気味な行動が私たちの宇宙の非常に現実的な特徴であることが確認されました.
ボームの見解では、非局所性はさらに顕著です。任意の 1 つの粒子の軌跡は、同じ波動関数によって記述される他のすべての粒子が何をしているかに依存します。そして、重要なことに、波動関数には地理的な制限がありません。原則として、宇宙全体に及ぶ可能性があります。これは、広大な空間にまたがってさえ、宇宙が奇妙に相互依存していることを意味します.ラトガース大学の数学者で物理学者であるシェルドン・ゴールドスタインが書いているように、波動関数は「遠く離れた粒子を単一の既約現実に結合または結合します」。
ボームとコペンハーゲンの違いは、古典的な「二重スリット」実験を見ると明らかになります。この実験では、粒子 (電子としましょう) が一対の狭いスリットを通過し、最終的に各粒子を記録できるスクリーンに到達します。実験が行われると、電子は波のように振る舞い、画面上に「干渉パターン」と呼ばれる特定のパターンを作成します。驚くべきことに、このパターンは、電子が 1 つずつ送られても徐々に現れ、各電子が両方のスリットを同時に通過することを示唆しています。
コペンハーゲンの見解を支持する人々は、この状況を受け入れるようになりました。結局のところ、粒子の位置を測定するまでは、その位置について語っても意味がありません。一部の物理学者は、代わりに量子力学の多世界解釈に惹かれます。この解釈では、一部の宇宙の観測者は電子が左のスリットを通過するのを見て、他の宇宙の観測者は電子が右のスリットを通過するのを見ます。目に見えない宇宙の無限の配列に慣れています。
比較すると、ボームの見解はかなり控えめに聞こえます。電子は実際の粒子のように振る舞い、任意の瞬間の速度はパイロット波によって完全に決定され、パイロット波は波動関数に依存します。この見方では、各電子はサーファーのようなものです。特定の瞬間ごとに特定の場所を占有しますが、その動きは広がる波の動きによって決定されます。各電子は 1 つのスリットのみを通過する完全に決定された経路をたどりますが、パイロット波は両方のスリットを通過します。最終結果は、標準的な量子力学で見られるパターンと正確に一致します。
一部の理論家にとって、ボーフの解釈は抗しがたい魅力を持っています。 「量子力学を理解するためにあなたがしなければならないことは、自分自身に言い聞かせることです。私たちが粒子について話すとき、私たちは本当に粒子を意味しています.その後、すべての問題が解消されます」とゴールドスタイン氏は述べています。 「物事には位置があります。彼らは どこか。その考えを真剣に受け止めれば、すぐにボームに導かれます。これは、教科書にあるものよりもはるかに単純な量子力学です。」オーストラリアのブリスベンにあるグリフィス大学の物理学者であるハワード・ワイズマンは、ボーミアンの見解は「世界がどのようになっているのかを非常に率直に説明する....物事が実際にどうであるかを言うために、いかなる種類の哲学的な結び目にも縛られる必要はありません。」
しかし、誰もがそのように感じているわけではなく、何年にもわたってボームの見解は受け入れられるのに苦労しており、コペンハーゲンに遅れをとっており、最近では多世界にも遅れをとっています. 4人の著者の名前から作られた頭字語である「ESSW」として知られる論文には、重大な打撃がありました。 ESSW の論文は、粒子が二重スリット実験を通過するとき、粒子は単純なボーム軌道をたどることができないと主張しました。だれかが各スリットの隣に検出器を置いて、どの粒子がどのスリットを通過したかを記録したと ESSW は主張します。 ESSW は、光子が左のスリットを通過できることを示しましたが、ボーミアン ビューでは、右のスリットを通過したものとして記録されることになります。これは不可能に思えました。 ESSW の論文が述べているように、光子は「シュールな」軌跡をたどると見なされました。
トロント大学の物理学者であるエイフライム・スタインバーグは、ESSWの議論はボーフ派の見解に対する「印象的な哲学的反論だった」と述べた。 「ボーミアンの力学に対する私の愛情が損なわれました。」
しかし、スタインバーグはその愛を再燃させる方法を見つけました。 Science Advancesに掲載された論文 、スタインバーグと彼の同僚 - チームにはオーストラリアのワイズマンと他の5人のカナダ人研究者が含まれています - 彼らが実際にESSW実験を行ったときに何が起こったのかを説明しています.彼らは、光子の軌跡が結局シュールではないことを発見しました — または、より正確には、経路がシュールに見えるかもしれませんが、それはボームの理論に固有の非局所性を考慮に入れなかった場合に限られます.
スタインバーグと彼のチームが行った実験は、標準的な 2 スリット実験に似ていました。彼らは電子ではなく光子を使用し、これらの光子を一対のスリットに送る代わりに、光子の偏光に応じて 2 つの経路のいずれかに沿って光子を導くデバイスであるビーム スプリッターを通過させました。光子は最終的に、最終的な位置を記録する単一光子カメラ (従来の実験のスクリーンに相当) に到達します。 「粒子は 2 つのスリットのどちらを通過したか」という質問。は「光子がたどった 2 つの経路のどちらか?」になります。
重要なことは、研究者が個々の光子ではなく、絡み合った光子のペアを使用したことです。その結果、彼らは 1 つの光子を調査して、もう 1 つの光子に関する情報を得ることができました。最初の光子がビーム スプリッターを通過すると、2 番目の光子は最初の光子がどの経路をたどったかを「認識」します。その後、チームは 2 番目の光子からの情報を使用して、最初の光子の経路を追跡できます。それぞれの間接的な測定値はおおよその値しか得られませんが、科学者は多数の測定値を平均して最初の光子の軌跡を再構築することができました.
チームは、フォトン パスが実際に現れることを発見しました ESSW が予測したように、超現実的である:絡み合ったパートナーの分極が光子が反対の経路をたどったと述べていたとしても、光子は画面の片側に衝突することがあります.
しかし、2 番目の光子からの情報は信頼できるでしょうか?重要なことに、スタインバーグと彼の同僚は、「最初の光子はどの経路をたどったのか?」という質問に対する答えを見つけました。いつ聞かれるかによります。
まず、最初の光子がビームスプリッターを通過した直後の瞬間に、2 番目の光子は最初の光子の経路と非常に強く相関します。 「1 つの粒子がスリットを通過するとき、プローブ [2 番目の光子] はどのスリットを通過したかを完全に正確に記憶しています」と Steinberg 氏は説明しました。
しかし、最初の光子が遠くに移動するほど、2 番目の光子のレポートの信頼性は低くなります。その理由は非局所性です。 2 つの光子がもつれているため、最初の光子がたどる経路が 2 番目の光子の偏光に影響します。最初の光子がスクリーンに到達するまでに、2 番目の光子の偏光は同じように一方の方向を向いている可能性があります。 2 番目 (2 つのスリットのどちらを通過したかを知ることと同等)。
問題は、ボームの軌道が非現実的であることではないとスタインバーグは述べた。問題は、2 番目の光子が言うことです。 ボームの軌道は超現実的であり、非局所性のおかげで、その報告は信頼できない. 「そこには本当の矛盾はありません」とスタインバーグは言いました。 「非局所性を常に心に留めておく必要があります。そうしないと、非常に重要なものを見落としてしまいます。」
光速よりも速い
一部の物理学者は、ESSW に動揺することなく、ずっとボーミアンの見解を受け入れており、スタインバーグと彼のチームが発見したことに特に驚いていません。何年にもわたってボームの見解に対する多くの攻撃がありましたが、「ボームのアプローチが実際に何を主張しているのかを誤解していたために、それらはすべて失敗しました」と、バークベック、ロンドン大学（旧バークベック・カレッジ）の物理学者であるバジル・ハイリーは述べた。彼は、彼の最後の本 The Undivided Universe で Bohm と協力しました。 オックスフォード大学の物理学者で、ハイリーの学生だったオーウェン・マロニーは、ESSW を「ド・ブロイ・ボームに新たな挑戦を提示しなかった」「ひどい議論」であると述べた。当然のことながら、マロニーはスタインバーグの実験結果に興奮しており、彼がずっと抱いてきた見解を支持しているようです。 「これは非常に興味深い実験です」と彼は言いました。 「de Broglie-Bohm を真剣に受け止める動機を与えてくれます。」
ボーム派の分断の反対側では、ESSW の著者の 1 人であるベルトルト-ゲオルグ・イングラート (マーラン・スカリー、ジョージ・サスマン、ハーバート・ウォルターと共に) は、彼らの論文を今でもボーム派の見解に対する「致命的な打撃」であると述べています。現在シンガポール国立大学にいる Englert によると、ボームの軌跡は数学的オブジェクトとして存在しますが、「物理的な意味を欠いています」。
歴史的な記録として、アインシュタインはボームがド・ブロイの提案を復活させたことを耳にするほど長生きした。 1952 年春、物理学者マックス ボルンに宛てた手紙の中で、アインシュタインはボームの研究について次のように述べています。
しかし、明確に定義された粒子が正確な経路に沿って移動するボーミアンの見解を支持する人でさえ、疑問が残ります。リストのトップにあるのは、超光速通信を禁止する特殊相対性理論との明らかな緊張関係です。もちろん、物理学者が長い間指摘してきたように、量子エンタングルメントに関連する種類の非局所性は、超光速のシグナル伝達を許可しません (したがって、祖父のパラドックスやその他の因果関係違反のリスクは発生しません)。それでも、多くの物理学者は、特にボームの見解における非局所性の重要な役割を考えると、より明確にする必要があると感じています. ここで起こることの明らかな依存性 そこで何が起こっているのか 説明を求めて叫びます。
「宇宙は、光速よりも速く自分自身と対話するのが好きなようです」とスタインバーグは言いました。 「私は、光よりも速く進むことのできない宇宙を理解することができましたが、内部の仕組みが光よりも速く動作しているにもかかわらず、巨視的なレベルでそれを利用することは禁じられています。理解するのは非常に困難です。」
