物理学者にとって、完璧な静けさは究極の騒音です。携帯電話の音を消し、考えを静め、あらゆる種類の振動を消しても、量子ノイズが残ります。それは自然の奥深くにある不確定性、取り除くことも理解することもできない静的で説明のつかない動きのバーストを表しています。意味がないようです。
このノイズがどれほど蔓延しているかを考えると、物理学者はそれについて適切な説明を持っていると推測するかもしれません.しかし、それは科学における未解決の大きな問題の 1 つです。量子論は、ノイズがどこから来るかだけでなく、それがどのように世界に入るかについても沈黙しています.この理論を定義する方程式であるシュレディンガー方程式は、完全に決定論的です。ノイズはまったくありません。量子粒子にノイズが多いと観測される理由を説明するには、追加の原理が必要です。
ニールス ボーアの伝統に基づく物理学者にとって、観察すること自体が決定的なものです。シュレディンガー方程式は、粒子ができることの可能性のメニューを定義しますが、測定された場合にのみ粒子が実際に何かを行い、メニューからランダムに選択します。同一の粒子が異なる選択をするため、基本的なプロセスの結果が制御不能な方法で変化します。ボーアの見解では、量子ノイズはこれ以上説明できません。それは、物理学者のジョン・ウィーラーが「基本的な創造行為」と呼んだものであり、前例はありません。創世記は遠い過去の単一の出来事ではなく、私たちがもたらした進行中のプロセスです。私たちはそれを観察することで世界を創造します。
アインシュタインのような懐疑論者にとって、その見解は素晴らしくロマンティックであり、まったく支離滅裂です。私たちは誰ですか"？ 「観察する」とは？物理学者と哲学者は、2 つの一般的な方向のいずれかを採用して、より手荒な説明を求めて 1 世紀の大半を費やしてきました。日常生活で遭遇するノイズのように、量子ノイズには私たちを逃れる意味があるのかもしれません。非決定論的に見えるかもしれませんが、何らかの理由で目に見えない決定論的なプロセスによって生成される可能性があります。たとえば、無数のパラレル ユニバースの 1 つに住んでいて、どれが自分のものか分からないことが原因である可能性があります。本質的に、ノイズは私たちがどこに住んでいるかを教えてくれます。粒子の挙動におけるこれらの小さな上昇と逸脱はすべて、私たちの宇宙を他の宇宙と区別する癖であり、私たちの場所がホテルの 159 室ではなく 314 室に置かれているなどの純粋な偶然である限り、それらは「ノイズ」です。
もう 1 つの基本的なアプローチは、量子ノイズは実際には無意味であり、量子論はボーアが考えたのと同じくらい非決定論的であるというものです。 1986 年、ジャンカルロ ギラルディ、アルベルト リミニ、トゥリオ ウェーバーの 3 人の物理学者が、量子ノイズは無意味であるだけでなく、実験者はそれを引き起こさないと提案しました。実際、何もしません。それは、まったく促されずに現れます。個々の粒子について、おそらく 1 億年に 1 回です。
解釈論争の中で、GRW 理論とその変種は特別な役割を果たします。それらは量子力学の唯一の非決定論的解釈ではありませんが、 不確定性をサブ量子レベルで埋めるのではなく、ノイズとしてすべての人に見えるようにする唯一の解釈です。 GRW は、経験的に検証可能な数少ない解釈の 1 つでもあります。ここについに、デモクリトスとプラトンの時代から始まった議論のためのデータ駆動型テストがあります:宇宙は根底にある決定論的かどうか?
GRW 理論では、ノイズが散発的に粒子に衝突し、粒子に開かれた場所の 1 つでそれらが物質化されると想定しています。そうしないと、粒子の挙動が常にシュレディンガー方程式から逸脱することになります。 1 億年に 1 回で十分です。なぜなら、打撃が実際に来ると、その影響は量子エンタングルメント (粒子の不気味な相互接続) によって大幅に増幅されるからです。 1 つの粒子へのヒットは、絡み合っているすべての粒子に感じられます。
この乗数効果は、量子の振る舞いを粒子レベルで観察するのに、日常生活では観察しない理由をきちんと説明しています。人や惑星は孤立した粒子のように不確定な状態でつかの間存在するかもしれませんが、それははるかに大きなターゲットを提示し、その粒子の 1 つがすぐにノイズに襲われます。ノイズは、その粒子と絡み合ったすべてのパートナーの位置を修正します。相互に絡み合った 10 個の粒子で構成されるオブジェクトは、約 10 ナノ秒ごとに ping されます。
ノイズは空間位置に作用しますが、他のプロパティにも間接的に影響します。シュレーディンガーの有名な生死両性猫は、生きているか死んでいるかのどちらかをすぐに強制されます。なぜなら、これらの 2 つの状態は、猫の体内の粒子の異なる空間配置に対応し、GRW メカニズムがそれらの中から選択するからです。
GRW メカニズムはまた、観察の謎を解き明かします。観察するということは、粒子の特性にアクセスできるように、粒子を何らかの大きな装置と関連付けることです。そうすることで、装置に当たるノイズに粒子をさらします。ボーアが考えたように、現実を直接作成することはできないかもしれませんが、そうでなければ通り過ぎるオブジェクトに、すべてに浸透するノイズが作用することを可能にします.
GRW 理論は、量子力学自体と同様に数学的形式主義であり、世界が何でできているか (哲学者がオントロジーと呼ぶもの) を規定していません。その作成者は当初、粒子オントロジー、つまり原子の世界を思い描いていました。しかし、この理論は、宇宙が塗りつぶされた物質や力場ではなく構成されている場合にも機能します。 GRW が量子力学の他の解釈と異なるのは、ノイズが誘発されないことです。ヒットは自然に発生します。したがって、他のものの存在を厳密に要求するものではありません。したがって、この理論はまったく新しい可能性を切り開きます。つまり、宇宙は純粋にノイズでできているということです。
1987 年にアイルランドの物理学者ジョン ベルによって提案され、後にラトガース大学のローデリヒ トゥムルカによって開発されたこの根本的にミニマリストな見方では、宇宙は、カメラのフラッシュによって無計画に照らされた暗い講堂のようなものです。存在。これらのランダムな瞬間にはすべての観測が含まれているため、これと連続した宇宙の違いを知ることはできませんでした.ある場所で粒子が見え、その後別の場所で粒子が見えた場合、粒子がその間に存在したと仮定するのは自然ですが、そうすべきではないかもしれません。そして、粒子が間に存在しない場合、その用語が一般的に理解されている方法では、実際には粒子はありません.
この観点は決して私たちに強制されたわけではありませんが、魅力的な意味があります。それは、量子もつれと相対性理論の間の緊張を解決する唯一の既知の方法であり、これらの理論のいずれかを完全に放棄することはありません.これら 2 つの理論を調和させるという明確な目的で作成された、最も先進的な量子論である場の量子論でさえ、測定または同等のプロセス中に発生する競合を排除しません。アインシュタインが気付いたように、量子物理学が非決定論的である場合、1 つの粒子が行うことは、絡み合っている粒子に即座に影響を与えます。影響は微妙で、信号を伝えることはできませんが、「即座に」という言葉はまだ禁止されているはずです 相対性で。彼らがそれを「相対性理論」と呼んでいる理由は、時間の経過が特定の観察者に対して相対的であり、プロセスが瞬間的である可能性があるという客観的な意味がないからです。ある観察者には効果が見え、同じ位置にいる別の観察者には見えない可能性があり、パラドックスが起こります。この矛盾は、フラッシュが自然に消えるため、GRW では蒸発します。閃光を引き起こすものはなく、別の閃光でさえないので、時間の順序は問題ではありません。どちらのフラッシュが最初に発生しても、シュレディンガーの式により、後続のフラッシュとの相関が保証されます。この相関関係を生成する空間と時間のメカニズムは存在しないため、相対性理論は適用されません。
フラッシュ画像を提案した人でさえ、あまり好きではありません。時空間メカニズムがなければ、相関関係をより深く理解する希望を失い、それらを残酷な事実として受け入れなければならないようです。しかし、フラッシュの絵は考える価値があります。なぜなら、それは、量子もつれと相対性理論が相反するものではないことの証拠であり、それらの和解には、空間と時間における存在の意味を再考する必要があることを示唆しているからです.
GRW は、物理学内のまったく別の問題を解決する可能性さえあります。コロンビア大学の理論物理学者から哲学者に転身したデビッド・アルバートは、熱力学の第 2 法則を説明するのに役立つと考えています。エントロピーの傾向は、分子の群れの無秩序性として大まかに定義されていますが、閉じた系で上昇します。一般的な考え方は、エントロピーが増加するのは、順序付けられる方法よりも無秩序になる方法の方が多いためです。そのため、システムがきれいに整った状態から始まると、自然にカオスに退化します。しかし、教科書は重要な点を見落としています。システムは無数に無数の異なる方法で配置することができ、無数の無秩序状態と無数の秩序状態を比較する明確な方法はありません。
たとえば、スマートフォンの画面を床に落として壊すのは簡単です。ひびの入ったスマートフォンの画面は、分子が適切に動くと自然に治る可能性もあります。悲しいかな、私たちはそれを見ることはありません。それは、そのような逆転が本質的にまれであるからではありません。実際、分子が自発的に再構築する方法は無数にあります。物理学者は通常、この問題に法定で対処します。彼らは、状態を数える規則を確立する仮説を追加します。それに従って、反転はよりまれになります。
そうではなく、アルバートは、問題は方法の数ではなく、可能性の空間におけるそれらの分布である可能性があると示唆しています.反転は、無秩序になりつつある州の海の中にある孤立した島であり、彼は、この地理は州を数える慣習に依存しないと主張しています.少し違った方法でスマートフォンを落としても、画面は粉々になります。しかし、スマートフォンの画面が自己修復するには、分子が適切な方法で互いに接近する必要があり、わずかなずれがそれを台無しにしてしまいます。そして、これが量子ノイズが役割を果たす可能性がある場所です。それは絶え間なくシステムを攻撃し、それらの小さな偏差を提供します.宇宙が逆行した場合、ノイズによってすぐに通常の状態に戻ります。
これが機能するためには、ノイズが自然発生的である必要があり、測定などのトリガーに依存してはなりません。さらに、ノイズは本当に削減できないものでなければなりません。より細かいスケールの詳細に対する私たちの無知を反映することはできません。そうしないと、問題全体がその細かいスケールで再発します。また、ノイズは粒子を乱して、反転を阻止する必要があります。さまざまな提案された量子ノイズの説明の中で、GRW だけが 3 つの基準すべてを満たしています。
GRW は強力な理論ですが、その実験的予測のどれもこれまでのところ支持されていません。あらゆる種類のエキゾチックな効果が必要です。たとえば、明らかな理由もなく電子が方向転換し、X 線を放出する可能性があります。イタリアの国立核物理研究所のカタリナ・クルセアヌと彼女の同僚は昨年、これが 10 億年に 1 回しか起こらないことを示し、GRW の当初の推定を除外しました。ノイズは、LIGO などの重力波検出器にも影響を与えます。このような効果は検出器のサイズに依存するため、ノイズ バーストが発生する頻度だけでなく、ノイズ バーストが影響する領域の大きさもテストします。これらの検出器で観測されたノイズは非常に低く、理論をさらに歪めています.
GRW メカニズムが動作する場合、元の予想よりも複雑になる必要があります。たとえば、ノイズに対する粒子の感受性は、その質量に依存します。どちらかといえば、それはもっともらしいかもしれません。したがって、理論はまだ生きています。とはいえ、明確なシグナルがないことは落胆しています。理論が根本的な不確定性の標準的な担い手である場合、null の結果は、デフォルトで宇宙がその根底で決定論的である可能性を少し高めます。
決定論はノイズを厳密に排除するのではなく、単に再配置するだけです。物理法則を通じて、ノイズの各バーストの起源をたどることができました。GRW 理論のようにどこからともなく発生するのではなく、粒子が特定の軌道上にあったために発生するのです。原則として、これらの軌跡を宇宙の初期状態に巻き戻すことができます。これは、歴史のすべてのノイズがまとめられたものです。ノイズの源が何であれ、それは世界の原材料であり、進化と出現のプロセスを通じて豊かなパターンに彫刻されます.
研究室では、物理学者は世界のノイズを取り除き、その単純なコアを明らかにしようとしています。しかし、より深いレベルでは、信号を取り除いてノイズを露出させ、根本的な問題をピボットします。では、ノイズは本当に信号なのでしょうか? 「神にとって、すべては合図です」と、南カリフォルニア大学の工学および法学教授であるバート・コスコはかつて書いています。しかし、どちらかといえばその逆です。神にとってすべてはノイズです。自分自身の意味を構築する人間にとってのみ、何かが合図である.
George Musser は、物理学と宇宙論の作家であり、 の著者でもあります。 そして離れた不気味なアクション ひも理論への完全なばかのガイド。 He は の寄稿編集者です。 Nautilus、以前は の上級編集者でした Scientific American に 14 年間在籍。彼はアメリカ物理科学研究所のライティング賞などを受賞しています。
