博士号を取得する前から、量子論が大好きでした。 30年以上前の主題で。しかし、突然、ちょっと休憩した方がいいような気がします.
この一連の疑問の引き金は、新しい論文でした。特に特別なことは何もありません。それは、宇宙がどのように機能するかについて私たちに何かを教えてくれるかもしれない実験の単なる提案です.しかし、私にとっては、最後のストローのように感じました。根本的な変化がなければ、量子物理学は永遠に私をがっかりさせてしまうかもしれないという可能性に、私の目は開かれました.
本質的に、私は自分が何でできているかを知りたいだけです。 100 年前の今年、デンマークの物理学者ニールス ボーアは、「原子の構造の調査における功績により」ノーベル賞を受賞しました。しかし、私の体を構成している原子の構造がどのようなものであるかについては、まだ率直な答えを待っています.量子論は、少なくとも私が理解できる方法では、それが提供できない答えを約束しているようです.ボーアがかつて言ったように、「原子に関して言えば、言語は詩のようにしか使えません。」
ボーアはしばしば量子論の創始者として称賛され、その奇妙さの擁護者の 1 人でした。モナリザの笑顔と同じように、量子が神秘的で魅力的であることは事実です。しかし、クォンタム・ニヤリには何か気になるところがあるようだ。理論や実験を通じて調査しても、すぐに行き詰まりに陥ります。結果を使用して、実際に何が何であるかを知ることはできません。 .
問題は、量子論の主力製品であるアーウィン・シュレディンガーの有名な波動方程式から始まります。すべての量子物質は、あたかも波であるかのように数学的にモデル化できると仮定しています。シュレディンガーの方程式は大成功です。たとえば、電磁エネルギーで刺激されたときに原子が放出する光の色を正確に予測することができます。
しかし、世界中の物理学者が毎日取り組んでいるこの方程式の素晴らしい有用性は、それがうまく説明している原子の実際の性質についての謎めいた沈黙を覆い隠しています.アインシュタインは、光が光子と呼ばれる粒子で構成されていることを証明したことでノーベル賞を受賞しましたが、シュレディンガーの方程式は、光と実際に他のすべてを波のような放射として特徴付けます。光と物質は粒子と波の両方になることができますか?それともどちらでもない？わかりません。
私たちは、「解釈」と呼ばれる作り話で無知を覆い隠します。これらの話のほとんどにインスピレーションを与える古典的な実験室のセットアップが 1 つあります。二重スリット実験として知られているこの実験では、物理的寸法が物体の質量と速度 (運動量として結合) に合わせて調整された一対の開口部に向かって発射される単一の量子物体が含まれます。実験の最後には、元のオブジェクトの最終的な位置を記録する検出器があります。
この実験は、シュレディンガーの波動方程式のレンズを通して解釈する傾向があります。私たちが「発射」する「物体」について話すことは、それを粒子として描くことです。しかし、その後の観察結果を説明するために、波のような特徴があると考えています。つまり、水の波が通過するように、量子物体は両方のスリットを同時に通過できるということです。次に、オブジェクトは 2 つの別々の波としてスリットから出てきます。これらが検出器に向かって移動すると、互いに出会い、相互作用する波の特徴であるパターンが作成されます。
この「干渉パターン」は、検出器を左から右に見ると、高密度と低密度の電子が交互に衝突する櫛のようなパターンです。波 (たとえば水の波) は干渉パターンを生成します。したがって、量子オブジェクトには波のようなものが確実に存在すると考えられます。
ただし、干渉パターンは検出器にすぐには現れません。単一量子物体は、単一の位置にある単一の粒子として検出器に現れます。その後、このプロセスを繰り返すと、次のオブジェクトが検出器の別の場所に現れます。たとえば、100 万回の検出の後、明確な干渉パターンが見られます。
ノーベル賞を受賞した物理学者のリチャード・ファインマンはかつて、この実験には量子物理学の唯一の謎が含まれていると言いました。注入されたオブジェクトが、よく打たれたゴルフ ボールのようにスリットを飛んでいる粒子である場合、干渉パターンはありません。これらの個々のオブジェクトは、それらが建物の干渉パターンの一部であることをどのように「認識」しますか?高密度領域で単一の粒子が検出され、禁止区域では検出されない原因は何ですか?
二重スリット実験に関する従来の話は、たとえば、単一の電子が波のような「重ね合わせ」状態で両方のスリットを同時に通過するというものですが、これを受け入れる必要はありません。
ボーアは、それについては完全に不可知論者であり、電子をスリットに向けて発射した後、検出器が最終的な位置を教えてくれる前に、電子について何も言うことができないことを受け入れることができると言いました.これは、量子力学のコペンハーゲン解釈として知られるようになったものの 1 つの形式です。
しかし、電子が提供したスリットを通過することを受け入れる必要もありません。多世界解釈の支持者の中には、電子が両方を通過すると主張する人もいます。 左右のスリットですが、現実の異なるバージョンです。干渉パターンは、これらの異なる現実の間の干渉の結果です。これは奇妙に思えますが、有用な考え方になる可能性があります。これは、たとえば、オックスフォードの物理学者 David Deutsch が量子計算の青写真を概念化した方法です。
もう1つの選択肢は、私たちが完全にアクセスできない隠れた要因があると仮定することです.デビッド・ボームは、粒子には「パイロット波」が伴うことを示唆しました。これは、二重スリット実験を通じてその軌道を導き、干渉パターンを作成します。ほとんどの物理学者は、量子論のこの種の「隠れ変数」の解釈は、実験結果と数学的証明の組み合わせによって除外されていると言うでしょう.
あるいは、実験を行っている人が、実験をどのように実行するかについて自分ができる選択が実際には限られていることに気付いていない宇宙に住んでいるとしたらどうでしょうか?これは「超決定論」であり、量子論の完全な解釈ではなく、宇宙がどのように機能するかの枠組みであり、そこから実験的な量子観測が出現する可能性があります。このスキームでは、電子を注入するメカニズムとそれを検出するメカニズムを含む、実験装置の量子状態間に認識されていない関係があります。
これらの隠された接続は、すべての機器を接続する一連の隠された文字列に似ており、実験者は検出器の設定が電子の特性に影響を与えたかどうかを知ることができず、実験シナリオが変更されました。超決定論により、実験者は実験がどのように行われたかを正確に判断することができなくなります。
これらのシナリオにはすべて、別の暗黙の前提があります。それは、原因が常に結果に先行するということです。私たちの時間の経験は、それが一方向にしか流れていないということですが、それは量子オブジェクトが経験する制約ではありません.つまり、二重スリット実験を「逆因果関係」によって解釈できることを意味します。これにより、直感に反する行動の流れが、後の影響のように見えるものが実際にはより早い条件を作成することを意味します。
電子の状態は、過去の状態と将来の状態の両方の影響を受ける可能性があると示唆する人もいます。これにより、各電子が検出器の干渉パターンのスライバーを作成する方法が提供されますが、表向きは最終的にどこに到達するかを「知る」方法がありません.
物理学者や哲学者によって提案された幅広い解釈 (ここで述べた以外にも多くの解釈があります) は、正しい答えがないことを示しています。興味のある物理学者は、主に好みによってどれに同意するかを選択します。
さらなる実験により、それらのいずれかを選択できるようになると考えると心強いでしょう.しかし、そうなると考える理由はほとんどありません。たとえば、トロント大学の Aephraim Steinberg によるいくつかの実験は、パイロット波のアイデアを支持しているようです。スタインバーグは、量子物体が二重スリット実験を通じてたどる、いわゆるボーミアン軌道を明らかにしたとしてよく引用されます。しかし、彼は反論します。 「私たちの実験がボーミアンの軌道を測定しているとは考えたくありません」と彼は言いました。代わりに、彼は、「彼らは量子システムの特性を『単純に』測定しており、それを根本的な説明で再現できると期待しています。」
言い換えれば、この実験的証拠は解釈の余地があります。一部の解釈については、実験的証拠はありません。たとえば、多世界のアイデアでは、世界間の意味のある相互作用は許可されません。つまり、それが合理的な視点であるかどうかを経験的に判断する方法は決してありません.
新しい実験が時々行われますが、ほとんど違いはありません。そして、それは私を壊した考えを含みます. 2021 年後半、アイルランドのメイヌース大学の Colm Bracken、ブリストル大学の Jonte Hance、フランクフルト高等研究所の Sabine Hossenfelder は、超決定論と逆因果関係を区別できる実験設定を提案しました。これには、過去にさかのぼる影響の概念で論理的なパラドックスを設計しようとするいくつかの付加的な機能を備えた二重スリット実験が含まれます。
しかし研究者たちは、この結果は、多世界理論、コペンハーゲン理論、またはパイロット波理論を信じている人にとって何の違いもないことを認めています。オプションの範囲を最大で 1 つ減らすだけです。そして、逆因果関係の支持者は、それがそうであることさえ疑っています.要するに、それは私たちをどこにも連れて行きません。他のすべての実験と同様に。私は虹を追いかけてきましたか?
量子物理学を精査することは本当に、本当に難しいです。それは、必然的に、人間の経験のスケールからかけ離れた実験科学です。しかし、1 世紀にわたる技術進歩が私の質問への回答に役立っていないことにも注意してください。私たちは本質的に、ボーア、アインシュタイン、シュレーディンガー、ハイゼンベルグが現実の実際の性質について行ったこと以上のものを知りません。私たちは興味深い技術と哲学的な難問を生み出しましたが、それ以外はほとんどありません。宇宙が何でできているかを知ることは実際に可能ですか?
私の希望はそうであることです。しかし、根本的な方向転換が必要になるのではないかと私は考えています。おそらく、前に戻る唯一の方法は、量子論の背後にある数学を再検討することです.
以前は機能していました。科学が行き詰まると、人々は数値を操作する新しい方法を発明したり、他の分野から数学的手法を借りたりして、隠された道を切り開いてきました。ニュートンとライプニッツの微積分、バビロニア代数、中国とインドの負の数の発明が良い例です。一般相対性理論と同様に、アインシュタインは、アプリケーションを念頭に置いていない純粋な数学者によって開発されたテンソル計算を借りることで、曲がった時空を記述することに関する彼の障害を解決しました。では、新しい数学は、量子物理学がその必要性を知らなかった解決策なのでしょうか?
「この問題を解決するには、新しい数学が必要になる可能性が非常に高いです」と Hossenfelder 氏は述べています。彼女は、カオス理論の数学をよりよく理解することで解決策が得られるのではないかと考えています。超決定論の研究における彼女の共同研究者であるオックスフォード大学のティム パーマーは、量子力学はカオス アトラクターを含むより深い理論から生じると考えています。あるいは、量子物質のように、時間の矢の専制政治から逃れるための新しいアプローチから来るかもしれないと彼女は示唆している. 「私たちの現在の理論はすべて、微分方程式で機能します。そこでは、初期状態とその後の進化法則があります」と Hossenfelder は説明しました。 「量子力学の根底にある理論が何であれ、これがうまくいくとは思えません。」
この目的のために、Hossenfelder は Schrödinger の波動方程式を避け、時間の流れについてより柔軟な経路積分と呼ばれる数学的アプローチを使用してきました。 「これが最終的にうまくいくかどうかはわかりません」と彼女は認めます。 「たぶん、まったく別の何かが必要なのかもしれません。」
西オンタリオ大学の物理学者であるエミリー アドラムも、新しい数学の必要性を受け入れています。彼女は、前進するための最善の道は、ますます小さなコンポーネントを仮定するという還元主義的なアプローチを捨てることかもしれないと考えています.代わりに、彼女は、量子の世界をより全体的な方法で理解しようとするべきだと提案しています。 「私たちが物理学で現在使用している数学的方法は、この種の全体論的記述には適切ではないようです。そのため、何か新しいものが必要になる可能性があります」と彼女は私に言いました.
しかし、新品である必要はないと彼女は指摘します。 「純粋数学者によって開発されたが、まだ物理学に応用されていない数学がたくさんあります」と彼女は言いました。 「したがって、私たちが必要とする数学は純粋数学の世界にすでに存在している可能性が非常に高く、それを物理学に適用する方法はまだわかっていません。」つまり、相対性理論でうまくいったのなら、量子論でもうまくいくかもしれません.
完全な開示:多くの科学者がこれについて私に同意しません.たとえば、オックスフォード大学の Vlatko Vedral は懐疑的です。 「量子物理学に必要な数学、つまり線形代数は完璧に機能しているように思えます」と彼は私に語った。彼は、ボーアのように、あらゆる問題は言語の限界から生じると考えています。 「結合詞の「または」も「および」も、量子重ね合わせによって私たちが意味することを説明していません」と彼は指摘しました。 「おそらく、私たちの数学ではなく、量子世界を適切に反映するために進化する必要があるのは私たちの言語です。」
Deutsch もまた、現実の性質についての私たちの理解に対する私の不満に焦っているように見えました。 「犬がどのように見え、どのように行動するかはわかっているかもしれませんが、犬が「実際」に何であるかはわかりません」と言う人もいるかもしれません.犬は原子の集まりであり、原子はクォークとレプトンの集まりであり、それらは量子場によって記述できると彼は言います。これ以上何が欲しい?
ホッセンフェルダーでさえ完全には確信していません。 「何かが「何であるか」という質問に答えるのが科学の仕事だとは思いません」と彼女は私に言った.彼女は、科学は私たちが観察したことを説明することだけに関係していると考えています.
私は何でしょう？私は小さな言葉では言い表せない量子オブジェクトのクラスターであり、私の新しいクラッシュである数学が真実を明らかにするのを待っています. 
Michael Brooks は、英国を拠点とするサイエンス ライターです。彼の最新の本は です The Art of More:数学がどのように文明を生み出したか.
