私たちの予測可能な日常の世界は、量子力学の漠然とした確率論的なルールからどのように生まれるのでしょうか?このパズルは、1920 年代に量子論が登場して原子やその他の微小なものの挙動を説明して以来、物理学者を悩ませてきました。現在、ダイヤモンドに閉じ込められた電子をいじっている研究者は、量子から古典の領域への移行を説明しようとする理論の重要な予測を確認しました。 「量子ダーウィニズム」と呼ばれるこの理論は、古典的な状態は単に環境との相互作用に耐えるのに最も適した量子状態であると主張しています。
実験者たちは「自然環境の中で見事なデモンストレーションを行っています」と、ベルファストのクイーンズ大学の理論家マウロ・パテルノストロは言う。しかし、物理学者は、新しい研究はこの問題に関する最終的な言葉には程遠いと警告しています.
原子スケールのオブジェクトは、より大きなオブジェクトとは異なる動作をします。コーヒー カップはいずれかの場所にある必要がありますが、電子は一度に 2 つの場所にある、いわゆる重ね合わせ状態になることがあります。カップの位置と勢いも、誰が見ても関係なく存在します。電子の場合はそうではありません。その位置がわかっている場合、その運動量は定義されていない必要があり、逆もまた同様であり、粒子がどの属性を持っているかは、測定されたときにのみ現れます。この測定では、電子の量子状態または波動関数が「崩壊」しますが、それがどのように起こるかは不明のままです。同様に、物理学者は、コーヒー カップがあちらこちらにあるはずがないと想定しています。これは、何かが何らかの形で重ね合わせを崩したためです。おそらく周囲との接触です。
量子ダーウィニズムは、真実はもっと微妙だと主張します。 1980年代、ニューメキシコ州ロスアラモス国立研究所の理論家であるヴォイチェク・ズレックは、あちこちにあるカップの波動関数は周囲の物体の波動関数と必然的に融合すると主張した.その「もつれ」はカップの波動関数を崩壊させませんが、その量子状態のあちこちの部分の間の正確な関係をあいまいにします.量子論では、カップをどこかに置くのに十分です。
正しい種類の絡み合いが理論の鍵です。カップは、たとえば勢いではなく、位置に依存する方法で環境と相互作用する必要があります。しかし、Zurek は、大きな物体とその環境との間の相互作用のほとんどは、その場所に依存していると述べています。カップが光子を目に反射するかどうかは、カップがどこにあるかによって異なります.
この議論は、なぜ 1 人の観察者がカップを 1 か所だけで見るのかを説明しましたが、誰もが量子状態の同じ部分を見てその場所に同意する理由を説明しませんでした。そこで 2000 年代に、ズレックは彼のアイデアを拡張しました。コーヒー カップの波動関数は、観測者を含むより多くのものと絡み合うため、「こちら」と「あちら」の枝に分かれます。すべての観測者の量子状態はカップに絡み合っているため、誰もがその位置に同意しています。しかし、この議論は急進的な結論を示唆しています。観察者がカップが「ここ」にあることに同意したとしても、巨大な「あちら」の分岐は実現されずに、平行世界のように存続します。
したがって、カップの古典的な状態は、環境との相互作用を生き残り、世界に繰り返し刻印されるものです。これは、非常に成功した遺伝子や種のようです。 「量子ダーウィニズムは、この希望に満ちた波動関数を採用し、一種の官僚的な方法でそれを堅実なものにします」とズレックは言います。 「情報のコピーを大量に作成するだけです。」
今回、ドイツのウルム大学の物理学者である Fedor Jelezko と Zurek は、環境に関する情報の刷り込みが冗長であることを実証しました。レーザー光とマイクロ波を使用して、ダイヤモンドの原子スケールの欠陥に閉じ込められた電子を操作しました。電子は、上、下、またはその両方を指すことができる量子磁石のように機能し、ダイヤモンドの炭素の約 1% を構成する周囲の磁性炭素 13 原子核と自然に相互作用します。原子核を調査した結果、研究者は量子ダーウィニズムが予測するように、電子が原子核にその状態を重複して刷り込んでいることを発見しました。 .
他の研究者は、光子を使って同様の実験を行っています。しかし、光子は物理的に相互作用せず、互いの量子状態を刷り込むことができません。そのため、研究者は人工的な手段で絡み合いを調理する必要があります。 Jelezko の実験は実際の物理的相互作用に依存していると、ユニバーシティ カレッジ ロンドン (UCL) の理論家である Thao Le は述べています。 「はるかに自然なシステムを測定しています」と Le は言います。
この実験は、量子ダーウィニズムが古典的現実の出現を説明することを証明していますか?他の人は、それは行き過ぎだと言います。理論家は、量子力学のルールを日常のオブジェクトの動作から逆方向に導出しようとするなど、他の方法で量子と古典のギャップを埋めようとしました。パリ・サクレー大学の物理学者 Philippe Grangier は、次のように述べています。 UCL の理論家である Alexandra Olaya-Castro は、量子ダーウィニズムが量子領域と古典領域のすべての違いを説明しているわけではないと付け加えています。
それでも、この実験は将来の前触れかもしれない、とパテルノストロは言う。実験者が量子システムを制御できるようになるにつれて、彼らは古典的な振る舞いの起源について新しいテストを考案するだろう、と彼は言う. 「これらのアイデアの一部を除外または確認する結果が得られるまで、それほど長く待つ必要はないと思います。」
