ほぼ一世紀の間、「現実」は曖昧な概念でした。量子物理学の法則は、粒子がほとんどの時間を幽霊のような状態で過ごし、特定の場所などの基本的な特性さえ欠いており、代わりにどこにでも存在し、一度にどこにも存在しないことを示唆しているようです.粒子が測定された場合にのみ、粒子は突然実体化し、まるでサイコロを振ったかのようにその位置を選択するように見えます。
自然は本質的に確率論的であるというこの考え — 粒子は観測されるまで確固たる特性を持たず、可能性のみを持つ — は、量子力学の標準的な方程式によって直接暗示されています。しかし今、流体を使った一連の驚くべき実験により、その世界観に対する古い懐疑論が復活しました。奇妙な結果は、単一の具体的な現実のアイデアを決してあきらめなかった量子力学のほとんど忘れられたバージョンへの関心を高めています.
実験には、液体の表面に沿って跳ね返る油滴が含まれます。液滴は、バウンドするたびに液体を優しくスロッシングします。同時に、過去のバウンスからの波紋がコースに影響を与えます。パイロット波として知られているものを形成するそれ自体の波紋との液滴の相互作用により、以前は素粒子に特有であると考えられていた動作を示します。これには、これらの粒子が特定の場所なしに波のように空間全体に広がっている証拠として見られる動作が含まれます。 、測定されるまで。
量子スケールの粒子は、人間スケールの物体ができないことをしているようです。それらは障壁を通り抜け、自発的に発生または消滅し、離散的なエネルギー準位を占めることができます。この新しい一連の研究は、油滴がパイロット波によって誘導されると、これらの量子のような特徴も示すことを明らかにしています。
一部の研究者は、量子物体が液滴と同じくらい明確であり、それらもパイロット波 (この場合は空間と時間の流体のようなうねり) によって導かれていることを実験が示唆しています。これらの議論は、量子力学の誕生時に最初に提案され、拒否された微視的世界の決定論的 (確率論的ではなく) 理論に新しい命を吹き込みました。
マサチューセッツ工科大学の応用数学のジョン・ブッシュ教授は、「これは、人々が以前は量子領域に排他的であると考えていた振る舞いを示す古典的なシステムであり、その理由を説明することができます。実験。 「より多くのことを理解し、物理的根拠を提供できるほど、『量子力学は魔法である』という観点を擁護することは難しくなります。」
魔法の測定
アーキテクトの 1 人であるデンマークの物理学者ニールス ボーアの出身地にちなんで「コペンハーゲン解釈」として知られる量子力学の正統な見解は、粒子がすべての可能な現実を同時に演じていると考えています。個々の粒子は、これらのさまざまな可能性を重み付けした「確率波」で表され、その粒子が測定された場合にのみ波は一定の状態に崩壊します。量子力学の方程式は、測定の瞬間に粒子の特性がどのように固化するか、またはそのような瞬間に現実がどのような形をとるかをどのように選択するかを扱っていません。しかし、計算は機能します。 MIT の量子物理学者である Seth Lloyd が述べたように、「量子力学は直観に反するものであり、吸収するしかありません。」
現実の確率論的性質を実証していると思われる量子力学の古典的な実験では、粒子 (電子など) のビームをスクリーンの一対のスリットに向かって 1 つずつ推進します。誰も各電子の軌道を追跡していない場合、電子は両方のスリットを同時に通過しているように見えます。やがて、電子ビームはスクリーンの反対側に明るいストライプと暗いストライプの波状の干渉パターンを作成します。しかし、検出器がスリットの 1 つの前に置かれると、その測定により、粒子は波のような遍在性を失い、一定の状態に崩壊し、一方のスリットまたは他方のスリットを通過します。干渉パターンが消えます。 20 世紀の偉大な物理学者であるリチャード ファインマンは、この二重スリットの実験は「量子力学の核心であり」、「古典的な方法で説明することは不可能であり、絶対に不可能である」と述べています。
一部の物理学者は現在、反対しています。 「量子力学は非常に成功しています。それが間違っていると主張する人は誰もいない」と、イギリスのバース大学の数学教授で、跳ねる液滴の力学のコンピューターモデルを考案したポール・ミレフスキーは言った。 「私たちが信じているのは、[量子力学] がそのように見えるのには、実際にはもっと根本的な理由があるかもしれないということです。」
波に乗る
パイロット波が粒子の特異性を説明するかもしれないという考えは、量子力学の初期にさかのぼります。フランスの物理学者ルイ・ド・ブロイは、1927 年にブリュッセルで開催されたソルベイ会議 (この分野の創設者の有名な集まり) でパイロット波理論の最初のバージョンを発表しました。ド・ブロイがその日ボーア、アルバート・アインシュタイン、アーウィン・シュレディンガー、ヴェルナー・ハイゼンベルグ、および他の 20 人の有名な物理学者に説明したように、パイロット波理論は、量子力学の確率論的定式化とまったく同じ予測を行いました (これは、量子力学とは呼ばれません)。 1950 年代までは「コペンハーゲン」の解釈)、幽霊や謎めいた崩壊はありません。
ボーアが提唱した確率論的バージョンは、波の山と谷として粒子のありそうな場所とありそうもない場所を表す単一の方程式を含みます。ボーアは、この確率波動方程式を粒子の完全な定義と解釈しました。しかし、de Broglie は同僚に 2 つの方程式を使用するように促しました。1 つは実際の物理的な波を記述し、もう 1 つは実際の具体的な粒子の軌道をその波動方程式の変数に結び付けます。まるで粒子が波と相互作用し、波によって推進されるかのように。それによって定義されるのではなく。
たとえば、二重スリットの実験を考えてみましょう。ド・ブロイのパイロット波の図では、各電子は 2 つのスリットの 1 つだけを通過しますが、分割して両方のスリットを通過するパイロット波の影響を受けます。流れの中の漂流物のように、粒子は 2 つの波面が協力する場所に引き寄せられ、打ち消しあう場所には行きません。
ド・ブロイは、個々の粒子が最終的にどこに到達するかを正確に予測することはできませんでした — ちょうどボーアの事象のバージョンのように、パイロット波理論は結果の統計的分布、または明るい縞と暗い縞のみを予測します — しかし、2 人の男性はこの欠点を別様に解釈しました.ボーアは、粒子には明確な軌道がないと主張しました。ド・ブロイは、そうであると主張しましたが、正確な経路を推測するのに十分なほど各粒子の初期位置を測定することはできません.
ただし、原則として、パイロット波理論は決定論的です。未来は過去から動的に進化するため、宇宙のすべての粒子の正確な状態が特定の瞬間にわかっている場合、将来のすべての時点での状態は次のようになります。
ソルベイ会議で、アインシュタインは確率論的宇宙に反対し、「神はサイコロを振らない」と冗談を言ったが、ド・ブロイの代替案については曖昧なようだった。ボーアはアインシュタインに「何をすべきかを神に告げるのをやめなさい」と言い、（理由についてはまだ論争が続いているが）彼はその日を勝ち取った。 1932 年までに、ハンガリー系アメリカ人の数学者ジョン フォン ノイマンが、量子力学における確率論的波動方程式には「隠れた変数」(つまり、明確に定義された軌道を持つド ブロイ粒子などの欠落した要素) が存在しないことを証明したと主張しました。 , パイロット波理論はあまりにも軽視されていたため、ほとんどの物理学者は翻訳を読まずにフォン・ノイマンの証明を信じていました.
フォン・ノイマンの証明が誤りであることが示されるまでに 30 年以上が経過しましたが、それまでに損害は発生していました。物理学者のデビッド・ボームは、アインシュタインの励ましを受けて、1952 年にパイロット波理論を修正した形で復活させ、それが機能することを明らかにしましたが、普及することはありませんでした。 (この理論は、ド・ブロイ・ボーム理論、またはボーム力学としても知られています。)
その後、北アイルランドの物理学者ジョン・スチュワート・ベルは、今日の多くの物理学者が隠れ変数を不可能にすると誤解している重要な定理を証明しました。しかし、ベルはパイロット波理論を支持した。彼は、フォン・ノイマンの最初の証明の欠陥を指摘した人物でした。そして 1986 年に彼は、パイロット波動理論は「波動粒子のジレンマを非常に明確かつ普通の方法で解決するのは、私には非常に自然で単純に思えるので、一般的に無視されたことが私にとって大きな謎である」と書いています。
無視は続く。 1世紀後、量子力学の標準的な確率論的定式化は、アインシュタインの特殊相対性理論と組み合わされ、宇宙のほとんどの粒子と力の精巧で正確な記述である標準モデルに発展しました。量子力学の奇妙さに順応することは、物理学者の通過儀礼となっています。古い決定論的な代替案は、ほとんどの教科書では言及されていません。この分野のほとんどの人はそれについて聞いたことがありません。ラトガース大学の数学、物理学、哲学の教授であり、パイロット波理論の支持者であるシェルドン・ゴールドスタインは、「何十年にもわたる教化」による理論の「ばかげた」無視を非難している。この段階で、ゴールドスタインと他の何人かは、研究者は量子の正統性に疑問を呈することで自分のキャリアを危険にさらしていると述べています.
量子ドロップ
ついに、少なくとも流体力学の専門家の間では、パイロット波理論がマイナーな復活を遂げている可能性があります。 「前世紀の初めに量子力学を開発していた人々がこれらの実験にアクセスできることを願っています」とミレフスキーは言いました。 「その場合、量子力学の歴史全体が異なる可能性があるからです。」
この実験は 10 年前に始まり、パリ ディドロ大学の Yves Couder と同僚が、シリコン オイル槽を特定の周波数で上下に振動させると、液滴が表面に沿って跳ね返ることができることを発見しました。彼らが発見した液滴の経路は、液滴自体の跳ね返りから生成された液体の表面の傾斜した輪郭によって導かれました。これは、ド・ブロイのパイロット波の概念に類似した粒子と波の相互相互作用です。
画期的な実験で、パリの研究者は液滴セットアップを使用して、単一および二重スリット干渉を実証しました。彼らは、液滴がダムのような障壁の一対の開口部に向かって跳ね返るとき、パイロット波が両方を通過するのに対し、一方のスリットのみを通過することを発見しました。試行を繰り返すと、パイロット波の重なり合う波面が液滴を特定の場所に誘導し、その間の場所には決して誘導しないことが示されました。これは、ファインマンが「不可能…どんな古典論でも説明できない」と述べた量子二重スリット実験における干渉パターンの明らかな複製です。仕方。"そして、粒子の軌道を測定するとそれらの同時現実が「崩壊」するように見えるのと同じように、跳ねる液滴の実験でパイロット波を乱すと、干渉パターンが破壊されます。
液滴はまた、障壁を通り抜けて「トンネリング」し、安定した「束縛状態」で互いを周回し、量子スピンと電磁引力に類似した特性を示すように見えることもあります。囲いと呼ばれる円形の領域に閉じ込められると、それらは量子囲い内の電子によって生成される定在波に類似した同心リングを形成します。それらは、物質と反物質粒子の相互破壊を連想させる効果である、地下の気泡で消滅さえします。
各テストで、液滴は無秩序な経路をたどり、時間の経過とともに、量子スケールで粒子に期待されるのと同じ統計的分布を流体システムに構築します。しかし、研究者によると、これらの量子のような効果は、不確定性や現実の欠如から生じるのではなく、「パスメモリ」によって引き起こされます。液滴が跳ね返るたびに波紋の形で痕跡が残り、これらの波紋は無秩序に、しかし決定論的に液滴の将来の跳ね返りに影響を与え、量子のような統計的結果につながります。特定の流体が示すパス メモリが多いほど、つまり、波紋の散逸が少ないほど、統計はより鮮明で量子のようになります。 「記憶はカオスを生み出します。適切な確率を得るためには、カオスが必要です」と Couder 氏は説明します。 「私たちのシステムにはパス メモリがはっきりと見えます。それは必ずしも量子オブジェクトに存在することを意味するわけではなく、それが可能であることを示唆しているだけです。」
量子統計は、液滴が外力を受けた場合でも明らかです。ある最近のテストで、クーダーと彼の同僚は、オイルバスの中心に磁石を配置し、磁性磁性流体の液滴を観察しました。核の周りの固定エネルギー レベルを占有する電子のように、跳ね返る液滴が採用されました 磁石の周りの安定した軌道の個別のセットであり、それぞれが設定されたエネルギーレベルと角運動量によって特徴付けられます。これらのプロパティを個別のパケットに「量子化」することは、通常、量子領域の特徴を定義するものとして理解されています。
空間と時間が超流動、または散逸をまったく経験しない流体のように振る舞う場合、パス メモリがエンタングルメントという奇妙な量子現象を引き起こす可能性があります。これは、アインシュタインが「離れた場所での不気味な作用」と呼んだものです。 2 つの粒子が絡み合うと、一方の状態の測定が他方の状態の測定に即座に影響します。 2 つの粒子が光年離れていても、もつれは保持されます。
標準的な量子力学では、効果は粒子の結合確率波の瞬間的な崩壊として合理化されます。しかし、イベントのパイロット波バージョンでは、超流動宇宙の2つの粒子間の相互作用は、相互作用が超流動の輪郭に永続的に影響を与えるため、永久に相関したままのパスにそれらを設定します. 「粒子が移動するにつれて、粒子は過去にそれらによって生成された波動場と過去の他のすべての粒子を感じます」とブッシュは説明しました。言い換えれば、パイロット波の遍在性は、「これらの非局所的な相関関係を説明するメカニズムを提供します」。しかし、液滴のもつれの実験的テストはまだ遠い目標です.
亜原子の現実
新しい研究に関わっているか、それに精通している流体力学の専門家の多くは、量子力学には古典的で流動的な説明があると確信しています。 「それはすべてあまりにも偶然だと思います」と、リオデジャネイロでこのトピックに関する 6 月のワークショップを主導し、流体力学の年次レビューの実験に関するレビュー論文を書いているブッシュは言いました。
量子物理学者は、発見をそれほど重要ではないと考える傾向があります。結局、流体研究は、パイロット波が量子スケールで粒子を推進するという直接的な証拠を提供していません。そして、電子と油滴の間の驚くべき類推は、新しいより良い計算をもたらさない. 「個人的には、量子力学とはほとんど関係がないと思います」と、オランダのユトレヒト大学でノーベル賞を受賞した素粒子物理学者である Gerard 't Hooft は述べています。彼は量子論は不完全であると信じていますが、パイロット波理論は嫌いです.
多くの現役の量子物理学者は、非常に成功した標準モデルをゼロから再構築することの価値に疑問を投げかけています。マサチューセッツ工科大学の物理学教授でノーベル賞受賞者のフランク・ウィルチェク氏は、「実験は非常に巧妙で、精神を拡張するものだと思います。仮説的な古典的基礎理論から、私たちが知っている量子力学の使用の成功まで。」
「これは実際、パイロット波現象の非常に印象的で目に見える兆候です」とロイドは言いました。 「驚くべきことですが、すぐに実際の量子力学に取って代わることはありません。」
現在の未熟な状態では、量子力学のパイロット波の定式化は、物質と電磁場の間の単純な相互作用を説明するだけであり、イギリスのオックスフォード大学の物理学の哲学者であるデビッド・ウォレスによると、普通の電球。 「それだけでは物理学を十分に表現することはできません」と Wallace 氏は言います。 「私自身の見解では、これは理論にとって最も深刻な問題ですが、公平を期すために、依然として活発な研究分野です。」
パイロット波理論は、標準的な量子力学よりも扱いにくいという評判があります。何人かの研究者は、この理論は同一の粒子を扱うのに問題があり、多粒子の相互作用を記述するときに扱いにくくなると述べています。彼らはまた、それが特殊相対性理論とあまりエレガントに結合していないと主張した.しかし、量子力学の他の専門家は、このアプローチは単に研究不足であると反対したり、述べたりしました.イリノイ大学アーバナシャンペーン校の物理学教授であり、ノーベル賞受賞者でもあるアンソニー・レゲットは、パイロット波言語で量子力学の予測を作り直すのは努力の問題かもしれないと述べた。 「これが多くの時間と労力を費やす価値があると考えるかどうかは、個人の好みの問題です」と彼は付け加えました。 「個人的には、私はしません。」
一方、ボームが 1952 年の論文で主張したように、量子力学の別の定式化は、量子スケールでは標準バージョンと同じ予測を行う可能性がありますが、より小さなスケールの自然に関しては異なります。あらゆるスケールで統一された物理学の理論を模索する中で、「量子論の通常の解釈に自分たちを制限することで、長い間間違った道を歩み続けることが容易になりました」とボームは書いています。
一部の愛好家は、量子力学とアインシュタインの重力理論との間の長期にわたる対立を解決するための鍵は、流体アプローチであると考えています。
英国ケンブリッジ大学のコンピューター科学者で数学者であるロス・アンダーソンは、「標準モデルと重力の統一理論を、現実の根底にある超流動基板の観点から探すことができる可能性があります」と述べています。 -流体量子アナロジーに関する最近の論文の著者。将来、アンダーソンと彼の共同研究者は、この可能性のある「現実の超流動モデル」のさらに近い類似物として、超流動ヘリウムにおける「ロトン」(粒子のような励起) の挙動を研究することを計画しています。
しかし、現時点では、これらの量子重力との関係は推測に過ぎず、若い研究者にとっては危険なアイデアです。ブッシュ、クーダー、およびその他の流体力学の専門家は、ますます多くの量子のような現象を実証することで、量子力学の決定論的で流動的な図がますます説得力のあるものになることを望んでいます。
「物理学者にとって、それは非常に物議を醸すものであり、人々はこの段階ではかなり無責任です」とブッシュは言いました. 「私たちは前進しているだけで、時が経てばわかります。最後には真実が勝つのです。」
