ほとんどの物理学者と同様に、私はキャリアの多くを量子力学の大部分を無視して過ごしました。私は大学院で理論を教えられ、興味深い問題が必要になったときにあちこちで力学を適用しました...そしてそれだけです.
その恐ろしい評判にもかかわらず、量子論の数学は実際にはかなり単純です。裏表に慣れれば、一般相対性理論よりも量子力学の方がさまざまな問題を簡単に解決できます。そして、その計算の容易さと、理論を駆使することに伴う自信が、表面下に隠れているより深い問題のほとんどを覆い隠しています。
量子力学が意味をなさないという事実のような、より深い問題。はい、それは最も成功したものの 1 つです (そうでなければ すべての科学で最も成功した) 理論。はい、典型的な高校教育では、内部の仕組みを理解するために必要なすべての数学的ツールが提供されます。そして、そうです、1世紀以上の間、私たちは亜原子宇宙の代替理論を思いつくことができませんでした.これらはすべて真実ですが、量子力学は意味がありません .
素粒子の世界についての量子力学の主張は、巨視的な世界についての私たちの自然な直感に反しています。私があなたにボールを投げた場合、あなたはそれが単一の経路しかとらないことを知っているので、それをうまくキャッチすることができます.夕食の計画を立てる場合、アンドロメダ銀河が現在何をしているのかを心配する必要はありません。なぜなら、アンドロメダ銀河は非常に遠くにあるため、私たちの計画に干渉する可能性はほとんどないからです。誰かがあなたの戸口を通り抜けるのを見たら、自信を持って、彼らがあなたの戸口を通り抜けたと言うことができます.
しかし、素粒子の世界を調べると、これらの非常に合理的な主張はすべて崩れてしまいます。粒子は同時に複数の状態で存在できます。一度に複数のパスを移動できます。パーティクルは予期しない場所に突然現れることがあります。粒子は、分離距離に関係なく、絡み合いとして知られる、幽霊のような相互接続を維持できます。実験の結果について自信を持って予測することはできず、あいまいな確率のみに頼らざるを得ません。私たちが知っていることには根本的な限界があります。
学校で量子の奇妙さの全容を初めて学んだとき、世界がどのように機能するかについての期待とともに、私の脳は壊れました。私の最初の反応は、素粒子の世界の豊かさと複雑さに対する驚きと驚きでした。そして…がっかり。失恋。錯乱。苦しめる。畏怖の念を起こさせた驚きから理解を考慮に入れようとしたとき、感情の嵐が私に降り注いだ.
現代物理学と量子力学に関する私の学部と大学院のコースは、これらの基本的なステートメントを教えてくれましたが、しなかった それらのステートメントが伴う深い哲学的問題をかなりの程度まで議論します。私の場合、そのような計算は、博士号を取得してから 10 年以上経ってからでした。量子論の哲学的側面と闘っていたとき、そうすべきだった何年も後に、私は自分の闘争が理論自体のまさに歴史的発展に反映されていることに驚き (そして安堵) した.
量子力学は紛らわしく、直感的ではなく、一見無意味に見えます。私が旅を通して見つけたのは、この混乱と無意味さはバグではなく特徴であり、私たちの日常生活の新しい見方を生み出しているということです.量子力学を解釈する代わりに、量子力学に私たち自身の人生を解釈させてください.
しかし、このやや非正統的だが最終的に解放的で見晴らしの良い場所にたどり着くには、私が「クォンタム グリーフ」と呼ぶようになった 4 つの段階を経なければなりませんでした。
ステージ 1:混乱
学部生として、亜原子領域の隠された秘密について最初に遭遇した謎は、波と粒子の二重性と呼ばれる現実の奇妙な特徴でした。古典物理学 (量子力学が発明される前の物理的な世界観) によって記述された巨視的な世界には、波と粒子の 2 種類のオブジェクトがあります。粒子は一般に小さく、空間内に十分に局在しており、定義された測定可能な位置を持っています。必要に応じて、粒子を指さすことができ、それを選択していることを誰もが知ることができます。 別の粒子ではありません。
一方、波は空間に特定の場所がなく、漠然とそこにあるようなものです。波を指すのははるかに困難です。また、波はある場所から別の場所にズームするのではなく、複雑なパターンで揺れ動きます。
この古典的な世界観では、すべての基本的なエンティティはどちらか一方です。私の学部生の脳にとって、これは単に理にかなっています。しかし、クォンタム ビューでは、すべてのオブジェクトが両方のプロパティを持ちます。単一のオブジェクトは、粒子のように振る舞うこともあれば、波のように振る舞うこともあり、ある瞬間には波のような特性を持ち (たとえば、電子が障害物から散乱するとき、波のように振る舞う)、別の瞬間には粒子のような特性を持ちます (その電子が最終的に検出スクリーンに衝突すると、そのすべてのエネルギーが粒子のように特定の場所に蓄積されます)。
私はティーンエイジャーとしてこれについて本で読んだことがありましたが、大学では、正式で無視できない設定で正面から向き合わなければなりませんでした…そしてそれは私を盲目的にしました. どのように
物質の波状の性質は、巨視的なスケールでは現れません。そのため、物理学者は、20 世紀の初めに素粒子をいじり始めるまで、これに気付きませんでした。
この現象を初めて味わったのと同じように、初期の量子パイオニアが最初に波動と粒子の二重性に遭遇したとき、彼らの最初の反応は完全で完全な混乱でした。正確には 物質の波？今や実験的に否定できないこの現実の側面をどのように解釈すればよいのでしょうか?
私は鏡で自分の顔を見ます。量子力学は、私が見たものには非常に小さいが非常に現実的な波の性質があることを教えてくれました.しかし、何の波の性質？私の熟考は答えを与えることができませんでした.
20世紀前半に研究を行っていたアーウィン・シュレディンガーのような物理学者は、物質は小さなスケールでは文字通り波のように空間に塗りつけられたと主張した。彼は、もし私たちが原子を割って開け、その小片を見ることができれば、小さな小さな波が揺れているのを見るだろうと信じていました. Schrödinger はこの洞察を利用して、量子現象の波動に基づく理論を開発し、それ以外の方法では複雑な実験結果を幅広く説明することに驚くほど成功しました。
しかし、シュレディンガーだけが未知の量子世界の探検家ではありませんでした。同時期に研究を行っていた Werner Heisenberg などの他の物理学者は、亜原子粒子が何をしているのかを頭の中で考えようとすることすらすべきではなく、実験結果だけに集中するべきだと主張しました。彼は、量子問題に答えるために、まったく異なるパラダイムを開発しました。彼の方法は、はるかに難しい数学に基づいていましたが、それでも同様に成功しました.
シュレディンガーはハイゼンベルグのアプローチをナンセンスだと一蹴し、ハイゼンベルグはシュレディンガーを激しく非難し、亜原子物理学は人間の知覚の領域をはるかに超えていると言い、激しい議論を繰り広げました。私たちの通常の古典的な考え方は時代遅れです.
ステージ 2:正統派
最終的に、シュレディンガーのアイデアは支持されなくなりました。実験を重ねるごとに、電子のような素粒子は波のような性質を持ちながらも、空間を突き抜けないことが最も確実であることが明らかになったからです。 1930 年代までに、実験的証拠と理論的ツールの猛攻撃に対する最初の混乱は、最終的にある種の量子的正統性に道を譲った.
これは、大学院時代からの私自身の経験を反映しています。波動と粒子の二重性から始まる量子世界の側面は、世界に関する常識、論理、および私たちの自然な直感に直面しています。しかし、混乱が最高潮に達し、弱々しい人間の知性が量子嵐に飲み込まれそうになったとき、甘い概念的解放が訪れます:形式主義 .
量子力学の仮説と数学的枠組みをようやく学んだときの安堵感は、言葉では言い表せません。それはこの素晴らしい脱出ハッチのようなもので、量子現実のゴルディアスの結び目を解こうとする精神的負担から解放され、仕事を成し遂げるという至福のフィールドを自由に踊り回ることができます。 .
1930 年代、ジョン フォン ノイマンのような物理学者は、量子力学のさまざまな初期の試みを取り入れ、それをまとまりのある厳密な全体に作り上げました。最後に、何十年にもわたる研究の結果、限定された一連の基礎となる仮定に基づく確固たる物理理論、問題を書き留めてその解決策を見つけるための完全な数学的言語、および理論に取り組むための多種多様な興味深いアプリケーションが得られました。原子の吸収と放出、化学および核物理学の構成要素、基本粒子の作成と操作など。素粒子の世界の物理学がありました。
数学が世界について語ったことの解釈は、シュレディンガーの希望から離れて、ハイゼンベルク陣営にしっかりと落ちました。詳細について心配する必要はなく、ただ問題を解決することに集中してください。粒子の波状の性質は、現存する自然の特性ではなく、確率を計算する方法である単なる数学的トリックに格下げされました。絡み合いや「遠く離れた不気味な行動」など、物質の波の性質の他の結果は、それが何を伴うかについての深い議論なしに、単純な事実として受け入れられました.
量子力学は奇妙で意味がありませんでしたが、うまくいきました.
そしてその仕事で私は安全を見つけました。 実際に起こっていることについて、謎の量子あれこれ心配する必要はありませんでした 、数学のピースをまとめ続けることができる限り。問題を解決したり、興味深いアプリケーションを見つけたりするのは気分が良かったです。物理学者として、私は新しい種類の直観を発達させました。それは、生きていて、考え、巨視的な生き物として成長することに基づくのではなく、量子力学の記号と機構を本能的に把握することに基づいています。私は、どの問題が理論に適していて、どの問題がそうでないかを直観し始めました。私は、実世界に関する有意義な物理的質問をフォン ノイマンの言語に変換できることに気付きました。そして驚くべきことに、実験に対してテストできる結果を得ることができました (私とクラスメートが私たちの研究室のセクションで行ったように)。クラス）
私はついに—ついに —量子力学の理解をしっかりと把握していました。
ステージ 3:反乱
つまり、それが何を意味するのかについてあまり考えすぎない限り。生の数学である量子形式主義のサイレン ソングはあまりにも魅力的でした。しかし、あまりにも従うと、一見単純な質問の鋭い不屈の岩にぶつかる運命にあります:量子力学は実際にはどういう意味ですか?
シュレディンガーには疑問がありました。アインシュタインもそうでした。ハイゼンベルク、ボーア、ディラック、フォン・ノイマン、その他の量子論の創始者たちも同様です。違いは、シュレーディンガーとアインシュタインは量子力学が不完全であると信じて墓に行くことでしたが、他の人たちは、私たちの物理理論が最終的に私たちを他の方法では精神的に理解できない場所に連れて行ったというわずかな慰めにしがみついていました…しかし少なくとも答えを得ることができ、実験に対して検証することができました。これで十分でした.
量子力学の支配的な解釈は、コペンハーゲン解釈と呼ばれます。このテーマについて読んだことがある人なら、おそらくすでに遭遇したことがあるでしょう。それは、量子論がどのように見られるべきかについてのデフォルトの仮定であり、私を含む典型的な物理学教育で与えられるデフォルトの扱いです.コペンハーゲンの解釈は、その最高レベルで、細かいことを気にするのではなく、単に数学に集中するように指示しています。物質には、実験結果の確率を示す波のような性質があります。観測を実行すると、その波とすべての確率は存在しなくなり、装置内の単一の結果に置き換えられます。基本的な不確実性の原則や非局所的な絡み合いなどの側面は、完全な理論の単なる側面です。
それはどのように機能しますか？測定時に波が突然消滅するのはなぜですか? 2 つの離れた粒子が、情報を交換せずに絡み合ったパートナーを認識できるのはなぜですか?私たちがそれを観察していないときの現実の状態は何ですか?これらはすべてコペンハーゲン解釈が無視する質問です。なぜなら、それらは重要ではないと言っているからです。重要なのは結果、結果、結果です。
そして、これまでずっと学生だった私は、結局、コペンハーゲン解釈と、それ以上何も説明したくないという明確な欲求の欠如に立ち向かわなければなりませんでした。一部の物理学者はこれに満足しており、「黙って計算する」ことを選択し、私たちのちっぽけな人間の脳は素粒子レベルで何が起こっているのか想像も想像もできないことを受け入れています.そして、私が知っている多くの人は、そこに一種の慰めを見いだしています.
他の物理学者は、これについてあまりうまくいきません。ありがたいことに、選択できる解釈は他にもたくさんあります。物質の波動の性質を実体に昇格させる人もいます。測定プロセスにおいて意識が重要な役割を果たしていると主張する人もいます。それはすべて情報の変化の錯覚だと言う人もいます。 …もっとあります。何十もの潜在的な解釈があり、そのすべてが量子論のある部分を真実であると選択し、他の部分を単なる数学的人工物であると選択しています。
コペンハーゲン解釈のよそよそしさに不満を持っている一部の物理学者は、これらの別の解釈に逃げ場を見いだしています。
私はしませんでした。量子力学の解釈は、理論の裸の数学の上に合理性の層を適用することによって、ナンセンスから意味を理解しようとします。世界は。私自身、大学院で理論自体を学んでから何年も経ち、さまざまな宗教を試す初心者のように紙から紙へと飛び回って、解釈に救いを見出そうとしました.
結局、満足のいく解釈は見つかりませんでした。古典的なコペンハーゲンは、亜原子プロセスの絵を描くことを拒否したため、私の口に酸っぱい味を残しました.ハイゼンベルクが私たちに与えたよりも人類は賢くて賢いと信じています。しかし、他の解釈にはそれぞれ欠点があります。たとえば、波動の性質を現実のものとする論理に従うと、並行宇宙が絶えず分裂して存在することになります…それがどのように機能するのかについての説明はありません。などなど。すべての解釈には、いくつかの魅力的な特徴と、それが説明できない独自の理論のいくつかの部分があります.
ステージ 4:承認
では、どの解釈も、理解できる宇宙に生きたいという深い渇望を満足させるものではないように思われた場合、私はどうすればよいでしょうか? 1 つの答えは、コペンハーゲン解釈の安全性に戻り、数学に慰めを見いだし、素粒子プロセスを視覚化するという夢をあきらめることです。もう 1 つは、別の解釈の 1 つを深く掘り下げることです。十分な作業と十分な賢さがあれば、それらの欠点を克服し、首尾一貫した一貫性のある完全な宇宙モデルを構築できると信じています。
別の方法があります。何年にもわたる欲求不満の末に見つけた方法です。それは、理論の究極の教訓を受け入れて、奇妙で素晴らしい量子世界に完全に没頭することです。私たちは 100 年以上にわたって理論の解釈を強制しようと試みてきましたが、無駄に終わりました。だからおそらく、それは私たちに何かを伝えようとする自然なのです。つまり、私たちには解釈ができないということです.
実験的に検証された量子力学の現実は、実際、巨視的世界の私たちの直感に基づく古典的思考は、宇宙のあらゆる側面を説明するには不十分であるということです.そして、解釈を作成し、それが正しいものであると主張しようとすることは、コペンハーゲンの解釈でさえも、まさに古典的な二元的なイエス/ノー思考の罠であり、亜原子の世界が私たちに避けるように伝えようとしている.
何年にもわたる無関心と反感の末、私が最終的に落ち着いたメンタル モデルは次のとおりです。量子の振る舞いについて考えるのはばかげているように思えますが、それは私たちが古典的な世界で生き、呼吸しているからにすぎません。では、日常生活においても、完全に量子化された状態で生活しようとするとどうなるでしょうか?
解釈から解放されたとき、量子力学の基本的な教訓 (確率、不確実性、非局所性、もつれなど) を自由に見て、それらの教訓を自分の人生に適用できることに気付きました。
たとえば、将来の不確実性を真に受け入れ、具体的な期待の重荷を負わずに目標とビジョンを設定して、自分の人生を生き始めることができます.私の行動が世界中に影響を与え、親切や慈善の小さなジェスチャーでさえ影響を与えることを認めることができました.私は、自分が知りたいと思うほどすべてを知ることはできないことを受け入れました。状況、選択、さらには人々がそれよりも複雑になることを許し、二者択一、二者択一に陥るのをやめました。これらの考えを日々実践し続けるうちに、シュレディンガー、ハイゼンベルク、その他の言葉が物理学者のように聞こえなくなり、セラピストのように聞こえるようになったことがわかりました (実際、私が学んだことは、メンタルヘルスの専門家にとって新しい啓示ではありませんでした)。これらは私の日常生活を豊かにし、情報を与える有益な教訓でした:量子レンズを通して、私は幸福、満足、満足、そして自分自身の人間性についてのより良い感覚を見つけました.
簡単ではありませんでした。今でもそうではありません。私は今でも、解釈を主張したり、この量子的なナンセンスすべての真相を突き止めたりするために、時折古典的な綱引きを感じています。私は毎日目を覚まし、それらの誘惑に抵抗し、量子の世界、つまり現実の世界はそれよりもはるかに豊かで活気があり、素晴らしいことを思い出さなければなりません. 
Paul M. Sutter は、Stony Brook University の Institute for Advanced Computational Science の天体物理学の研究教授であり、ニューヨーク市の Flatiron Institute の客員研究員です。彼は の著者です 宇宙におけるあなたの場所:私たちの大きくて乱雑な存在を理解する.
