理論物理学者のジョン・ウィーラーはかつて、光源から光子カウンターに向かう光の粒子を説明するために「グレート スモーキー ドラゴン」という言葉を使用しました。 「竜の口は鋭く、カウンターに噛みつく。ドラゴンの尻尾は鋭く、そこから光子が始まります」とホイーラーは書いています。言い換えれば、光子は最初と最後に明確な実在性を持っています。しかし、その真ん中の状態、つまりドラゴンの体はぼんやりしています。 「その間にドラゴンが何をしたり、どのように見えたりするか、私たちには話す権利がありません。」
ホイーラーは、基本的な量子現象は観測されるまで実在しないという見解を支持しており、反実在論と呼ばれる哲学的立場をとっていました。彼は、もしあなたがリアリズムに固執するなら — 光子のような量子オブジェクトが常に明確で固有の特性を持ち、より古典的な現実の見方をカプセル化する位置を持っている — ことを示すための実験を設計した.過去に影響を与える。逆方向のタイムトラベルの不条理を考えると、Wheeler の実験は、量子レベルでの反実在論の議論になりました。
しかし 5 月、ブラジルのナタールにある国際物理学研究所の Rafael Chaves と同僚が抜け道を発見しました。彼らは、特定の仮定が与えられた場合、ホイーラーの実験は、光子に固有の性質を帰する古典的なモデルを使用して説明できることを示しました。彼らはドラゴンに明確に定義された体を与えましたが、標準的な量子力学の数学的形式からは隠されています.
Chaves のチームはその後、Wheeler の実験にひねりを加えて、抜け穴をテストすることを提案しました。異常な速さで、3 つのチームが変更された実験を行うために競い合いました。 6 月初旬に報告された彼らの結果は、リアリズムを提唱する古典的なモデルのクラスが結果を理解できないことを示しています。量子力学は奇妙かもしれませんが、奇妙なことに、それでも最も単純な説明です.
ドラゴントラップ
ウィーラーは 1983 年に、量子力学における主要な概念上の難問の 1 つである波動と粒子の二重性を浮き彫りにするために、彼の実験を考案しました。量子オブジェクトは、粒子または波のいずれかのように動作するように見えますが、両方が同時に動作することはありません。量子力学のこの特徴は、物体が観測されるまで固有の現実を持たないことを暗示しているようです。マサチューセッツ工科大学の物理学者であり科学史家であるデイビッド・カイザーは、「物理学者は、1世紀にわたって、量子論の本質的で奇妙な特徴として、波と粒子の二重性に取り組まなければなりませんでした。 「このアイデアは、ハイゼンベルグの不確定性原理やシュレディンガーの猫など、量子論の他の典型的に奇妙な特徴よりも前のものです。」
この現象は、マッハツェンダー干渉計と呼ばれる有名な二重スリット実験の特別なケースによって強調されています。
実験では、単一の光子がハーフ シルバー ミラー、またはビーム スプリッターで発射されます。光子は同じ確率で反射または透過するため、2 つの経路のいずれかを取ることができます。この場合、光子は経路 1 または経路 2 のいずれかを取り、その後、同じ確率で検出器 D1 または D2 のいずれかに当たります。光子は分割できない全体のように振る舞い、その粒子のような性質を示しています。
しかし、ひねりがあります。パス 1 とパス 2 が交差するポイントで、2 つ目のビーム スプリッターを追加すると、状況が変わります。このセットアップでは、量子力学によれば、光子は波のように両方の経路を同時に通過するようです。 2 つの波は、2 番目のビーム スプリッターで一緒に戻ります。実験は、波が D1 に向かって移動する場合にのみ、波が建設的に (山から山へ、谷から谷へ) 結合するように設定できます。対照的に、D2 へのパスは破壊的な干渉を表します。このような設定では、光子は常に D1 で検出され、D2 では検出されません。ここで、光子は波のような性質を示しています。
ホイーラーの天才は、次の質問にありました。2 番目のビーム スプリッターを追加するかどうかの選択を遅らせたらどうなるでしょうか? 2 番目のビーム スプリッターが配置されていない状態で光子が干渉計に入ると仮定します。粒子のように振る舞う必要があります。ただし、最後のナノ秒で 2 番目のビームスプリッターを追加することはできます。理論と実験の両方が示しているのは、それまでおそらく粒子のように作用し、D1 または D2 のいずれかに移動していたはずの光子が、現在は波のように作用し、D1 のみに移動していることです。そのためには、どちらか一方のパスではなく、両方のパスに同時に存在する必要があるように見えました。古典的な考え方では、あたかも光子が時間をさかのぼり、その性質を粒子から波動に変えたかのようです.
このような遡及的因果関係を回避する 1 つの方法は、光子の固有の現実を否定し、光子が測定時にのみ現実になると主張することです。そうすれば、元に戻すものは何もありません。
このような反実在論は、量子力学のコペンハーゲン解釈と関連付けられることが多く、少なくともこの実験の文脈では、チャベスの研究に理論的な打撃を与えました。彼のチームは、因果モデリングと呼ばれる一連の新しいアイデアを使用して、量子力学の直感に反する側面を説明したいと考えていました。因果モデリングには、実験のさまざまな要素間の因果関係の確立が含まれます。多くの場合、相関する事象 (それらを A および B と呼びます) を研究する際に、A が B の原因である、または B が A の原因であると断言できない場合、以前は考えられていなかった、または「隠されていた」3 番目の事象 C が両方を引き起こしている可能性があります。このような場合、因果モデリングは C を明らかにするのに役立ちます。
Chaves と彼の同僚である Gabriela Lemos と Jacques Pienaar は、Wheeler の遅延選択実験に焦点を当て、光子の本質的な現実を付与し、逆因果関係を呼び出すことなくその動作を説明する隠れたプロセスを持つモデルを見つけることに失敗することを完全に期待していました。彼らは、遅延選択実験が「それを説明できる因果モデルがないという意味で、非常に直観に反する」ことを証明できると考えた.
しかし、彼らは驚きました。この作業は比較的簡単でした。彼らは、光子が最初のビームスプリッターを通過した直後に、「隠れ変数」によって示される固有の状態を持っていると仮定することから始めました。このコンテキストでの隠れ変数は、標準的な量子力学には存在しないものの、何らかの形で光子の挙動に影響を与えるものです。実験者は、2 番目のビーム スプリッターを追加または削除することを選択します。逆方向へのタイムトラベルを禁止する因果モデリングにより、実験者の選択が光子の過去の固有状態に影響を与えないことが保証されます。
リアリズムを意味する隠れ変数が与えられると、チームは変数の値と 2 番目のビームスプリッターの有無を使用して、予測を模倣する方法で光子を D1 または D2 に導く規則を書き留めることが可能であることを示しました。量子力学の。これは、古典的で因果的で現実的な説明でした。彼らは新たな抜け穴を発見しました.
これは一部の物理学者を驚かせた、とニューヨーク大学上海の理論量子物理学者であるティム・バーンズは述べた。 「この種の実験は、実験結果を完全に模倣する古典的なバージョンの影響を受けやすいということを、人々はあまり評価していませんでした」とバーンズは言いました。 「量子力学を含まない隠れ変数理論を構築できます。」
「これがステップゼロでした」とチャベスは言いました。次のステップは、この古典的な隠れ変数理論と量子力学を区別できるようにホイーラーの実験を修正する方法を見つけることでした.
彼らの修正された思考実験では、完全なマッハツェンダー干渉計は無傷です。 2 番目のビーム スプリッターは常に存在します。代わりに、2 つの「位相シフト」 — 1 つは実験の開始近く、もう 1 つは終わりに向かって — は、研究者が自由に調整できる実験ダイヤルの役割を果たします。
2 つの位相シフトの正味の効果は、パスの相対的な長さを変更することです。これにより、干渉パターンが変化し、それとともに、光子の推定される「波状」または「粒子状」の挙動が変化します。たとえば、最初の位相シフトの値は、光子が干渉計内の粒子のように振る舞うようなものである可能性がありますが、2 番目の位相シフトは光子を波のように振る舞わせることができます。研究者は、最初の位相シフトの後に 2 番目の位相シフトを設定する必要があります。
この設定を行うことで、Chaves のチームは、古典的な因果モデルと量子力学を区別する方法を思いつきました。最初の位相シフトは 3 つの値のうちの 1 つを取り、2 つ目の位相シフトは 2 つの値のうちの 1 つを取ることができるとします。これにより、合計で 6 つの実験設定が可能になります。彼らは、これら 6 つの設定のそれぞれについて、期待される結果を計算しました。ここで、古典的な隠れ変数モデルと標準的な量子力学の予測は異なります。次に、彼らは公式を構築しました。この式は、(2 つの位相シフトの設定に基づいて) 特定の検出器に光子が到達する回数から計算された確率を入力として使用します。数式がゼロに等しい場合、従来の因果モデルで統計を説明できます。しかし、方程式が 0 より大きい数値を吐き出す場合、隠し変数にいくつかの制約があることを条件として、実験の結果に対する古典的な説明はありません。
Chaves は、ローマ大学ラ サピエンツァ校の量子物理学者である Fabio Sciarrino と彼の同僚と協力して、不等式をテストしました。同時に、中国の 2 つのチーム - 中国の合肥にある中国科学技術大学 (USTC) の実験物理学者である Jian-Wei Pan が率いるチームと、同じく USTC の Guang-Can Guo が率いるチーム - が実行されました。実験。
各チームは、スキームをわずかに異なる方法で実装しました。 Guo のグループは、実際のマッハツェンダー干渉計を使用して、基本にこだわりました。オーストラリアのブリスベンにあるグリフィス大学の理論物理学者である Howard Wiseman 氏は、「これは、Wheeler の最初の提案に実際に最も近いものだと思います」と述べています。彼はどのチームにも属していませんでした。
しかし、3 つすべてが、反論の余地のない統計的有意性を備えた式がゼロよりも大きいことを示しました。彼らは、Wheeler の遅延選択実験を説明できる種類の古典的な因果モデルを除外しました。抜け穴は塞がれました。 「私たちの実験は、ホイーラーの有名な思考実験を救いました」とパンは言いました。
残る隠し変数
カイザーは、チャベスの「優雅な」理論的研究とその後の実験に感銘を受けました。 「最近の実験のそれぞれが新しい不等式の明らかな違反を発見したという事実は、そのようなシステムの「古典的な」モデルが世界がどのように機能するかを実際に捉えていないという説得力のある証拠を提供します.
この式には、特定の仮定が伴います。最大の問題は、因果モデルで使用される従来の隠し変数が、1 ビットの情報にエンコードされた 2 つの値のいずれかを取ることができることです。 Chaves 氏は、量子システム (光子) も 1 ビットの情報しかエンコードできないため、これは妥当だと考えています。 (干渉計の一方のアームまたは他方のアームのどちらかになります。) 「隠れ変数モデルも 2 次元を持つべきだと言うのは非常に自然なことです」と Chaves 氏は言いました。
しかし、追加の情報伝達能力を持つ隠れ変数は、修正された遅延選択実験で観察された統計を説明する従来の因果モデルの能力を回復することができます。
さらに、最も人気のある隠れ変数理論は、これらの実験の影響を受けません。標準的な量子力学に代わる決定論的で現実的なド・ブロイ・ボーム理論は、遅延選択実験を完全に説明することができます。この理論では、粒子は常に位置 (隠れ変数) を持っているため、客観的な現実を持ちますが、粒子は波によって導かれます。ですから、現実は波動であり粒子でもあります。波は両方の経路を通過し、粒子はどちらか一方を通過します。 2 番目のビーム スプリッターの有無は波に影響を与え、粒子を検出器に導きます。標準的な量子力学とまったく同じ結果が得られます。
ワイズマンにとって、遅延選択実験の文脈におけるコペンハーゲン対ド・ブロイ・ボームの議論は決着にはほど遠い. 「したがって、コペンハーゲンでは、光子の過去について何も言う権利がないという理由だけで、時間の奇妙な反転はありません」と彼は電子メールに書いています。 「de Broglie-Bohm には、私たちの知識とは独立した現実がありますが、逆転がないので問題はありません。すべての固有の因果関係 (時間の前方) 記述があります。」
カイザー氏は、これまでの取り組みを称賛しながらも、さらに前進したいと考えています。現在の実験では、従来の遅延選択実験で 2 番目の位相シフトまたは 2 番目のビーム スプリッターを追加するかどうかの選択は、量子乱数発生器によって行われていました。しかし、これらの実験でテストされているのは量子力学そのものであるため、循環性の気配があります。 「ランダム性のまったく異なるソースに依存した補完的な実験計画の下でも、実験結果が一貫しているかどうかを確認することは役に立ちます」とKaiser氏は述べています.
この目的のために、Kaiser と彼の同僚は、遠く離れたクエーサーから来る光子を使用して、そのようなランダム性のソースを構築しました。光子は、カリフォルニアのテーブル マウンテン天文台にある 1 メートルの望遠鏡で収集されました。光子の波長が特定のしきい値未満の場合、乱数ジェネレーターは 0 を吐き出し、それ以外の場合は 1 を吐き出します。原則として、このビットを使用して、実験設定をランダムに選択できます。この結果がホイーラーの当初の主張を支持し続けるなら、「波動と粒子の二重性は古典物理学の説明では説明されないだろうと言うさらに別の理由が得られる」とカイザーは述べた。 「量子力学に代わる概念の範囲は再び縮小し、隅に追いやられました。それこそが私たちが求めているものです。」
今のところ、ほんの数週間焦点が合っていたドラゴンの体は、煙のような不明瞭な状態に戻っています.
この記事は Wired.com に転載されたものです。
