量子力学はロケット科学ではありません。しかし、難解な数学の代表的な比喩としてロケット科学に取って代わりつつあります。確かに聞いたことがあると思いますが、量子力学は理解するのが難しいことで有名です。それは直感に反します。意味がない。大衆科学の説明では、必然的にそれを「奇妙な」、「奇妙な」、「気が遠くなるような」、または上記のすべてと呼んでいます.
私たちは違います。量子力学は完全に理解できます。物理学者が半世紀前にそれを理解する唯一の方法を放棄しただけです。今日に至るまで早送りすると、物理学の基礎の進歩はほとんど停滞しています。当時未解決だった大きな問題は、今日でもまだ未解決です。暗黒物質が何であるかはまだ分かっておらず、アインシュタインの重力理論と素粒子物理学の標準モデルとの間の不一致はまだ解決されておらず、量子力学で測定がどのように機能するかはまだ理解されていません.
どうすればこの危機を乗り越えられるでしょうか。私たちは、長い間忘れられていた解決策である超決定論、つまり宇宙の 2 つの場所が互いに完全に独立しているわけではないという考えを再検討する時が来たと考えています。このソリューションにより、量子測定の物理的な理解が得られ、量子理論の改善が約束されます。量子論を改訂することは、物理学者が自分たちの分野の他の問題を解決し、量子技術の新しいアプリケーションを見つけようとする努力を一変させるでしょう。
量子力学はどこにでもある
これまで、物理学者や哲学者も同様に、欠点があるのは量子力学ではなく、それに対する私たちの理解であることを当然のことと考えていました。このため、それを理解するための彼らの努力は、物事が最終的に所定の位置に収まることを期待して、その数学を再解釈することに焦点を当ててきました.これは起こっていませんし、これからも起こりません。それは、量子力学の問題は解釈の問題ではないからです。問題は、量子力学のすべての既存の解釈には内部矛盾があり、それらはより優れた理論によってのみ解決できるということです。量子力学は、最も基本的なレベルで自然がどのように機能するかではありません。私たちはそれを超えなければなりません。
公平を期すために、量子力学の欠点について不平を言い、その代替を要求することは、劇的に成功し正確な理論に投げかけることとしては、最悪の侮辱です.信用に値するところでは信用してください。奇妙であろうとなかろうと、現在 100 年以上の歴史を持つ量子力学は最も驚くべき仕事をしており、献身的な物理学者の交わりを獲得した以上のものであることを強調しましょう.
量子力学がなければ、レーザーも半導体もトランジスタもコンピューターもデジタルカメラもタッチスクリーンもありませんでした。磁気スピン共鳴も電子トンネル顕微鏡も原子時計もありません。また、これらすべてのテクノロジーに基づく無数のアプリケーションもありません。 Wi-Fi も、人工知能も、LED もありません。そして、ほとんどのイメージング ツールと分析方法が現在量子力学に依存しているため、現代医学は基本的に存在しません。大事なことを言い忘れましたが、誰も量子コンピューターについて聞いたことがありません.
したがって、量子力学が社会にとって非常に重要であることは間違いありません。しかし、同じ理由で、それをよりよく理解することで多くのことが得られることに疑いの余地はありません.
誰も量子力学を理解していない
ではなぜ、著名な物理学者でさえ、量子力学は理解できないと繰り返し述べてきたのでしょうか?
量子力学の中心的な要素は、波動関数と呼ばれる数学的対象です。波動関数は素粒子を記述し、すべてが素粒子でできているため、波動関数はすべてを記述します。つまり、電子の波動関数、原子の波動関数、猫の波動関数などがあります。厳密に言えば、すべてのものには量子の振る舞いがありますが、日常生活ではほとんどの量子の振る舞いは観察できません。
問題は、量子効果を測定しようとすると、なぜ量子効果が消えるのか誰も知らないということです。この「測定問題」は、物理学者が量子力学を考え出して以来ずっと悩まされてきました。パズルの一部は解決されましたが、この部分的な解決策はまだ満足のいくものではありません.
問題を理解するために、1 つの粒子と 2 つの検出器 (左右に 1 つずつ) があるとします。粒子を左に送ると、左の検出器がティックします。粒子を右に送ると、右の検出器がクリックします。これまでのところ、それほど驚くべきことではありません。しかし、量子力学ではそれ以上のことができます。同時に 2 つの状態にある粒子を持つことができます。たとえば、ビーム スプリッターを介して送信し、その後左 と の両方に進むようにすることができます。 右。物理学者は、粒子は左右の「重ね合わせ」にあると言っています。
しかし、測定結果の重ね合わせで粒子を観察することは決してありません。このような重ね合わせの場合、粒子の波動関数では測定対象を予測できません。測定する確率のみを予測できます。 50% が左で 50% が右であると予測するとしましょう。このような予測は、粒子の集合や一連の繰り返し測定には意味がありますが、単一の粒子には意味がありません。検出器はクリックするかしないかのどちらかです。 50% の測定値などというものはありません。
数学的には、「クリックするかしないか」では、測定時に波動関数を更新する必要があります。これにより、測定後に粒子が実際に測定された検出器で 100% になります。
この更新 (別名、波動関数の「崩壊」) は瞬時に行われます。それはどこでも同時に起こります。これは、アインシュタインの光速限界と矛盾しているように見えるかもしれません。ただし、観測者は測定結果を制御できないため、これを利用して光よりも速く情報を送信することはできません。
実際、測定更新の同時性は主な問題ではありません。主な問題は、ほとんどの物理学者が信じているように、量子力学が素粒子の理論であった場合、測定の更新は不要であるということです。結局のところ、検出器も素粒子でできているため、測定で何が起こるかを計算できるはずです。
残念ながら、粒子が当たったときに検出器が何をするかを計算する方法がわからないだけではありません。更新を仮定するだけではありません。それははるかに悪いことです:私たちはそれが不可能であることを知っています.
波動関数を更新しないと、量子測定を正しく記述することができないことがわかっています。これは、測定プロセスが、観測していないときの波動関数の動作よりも複雑であるためです。測定プロセスの主な目的は、測定可能な結果の重ね合わせを取り除くことです。反対に、測定されていない波動関数は重ね合わせを維持しますが、これは私たちが観察するものではありません。クリックする検出器とクリックしない検出器に遭遇したことはありません。
正式には、これは量子力学が線形 (重ね合わせを維持する) であるのに対し、測定プロセスは「非線形」であることを意味します。それは、量子力学よりも複雑な理論のクラスに属しています。これは量子力学を改善するための重要な手がかりですが、ほとんど見過ごされてきました.
代わりに、物理学者は、波動関数が単一粒子を説明することさえ否定することによって、敷物の下で量子測定の難問を一掃しました。量子論の最も広く受け入れられている解釈は、波動関数は粒子そのものではなく、粒子が何をするかについての観測者の知識を表すというものです。この知識は、合理的には、測定を行うときに更新する必要があります。この知識が何であるか、あなたは尋ねるべきではありません.
ただし、この解釈は、量子力学が基本的なものである場合、測定中に何が起こるかを計算できるはずであるという問題を取り除くものではありません. 「観察者」の持つ「知識」とは、少なくとも原理的には素粒子の振る舞いから導き出せるはずの巨視的な対象のことでもあります。繰り返しますが、測定プロセスは直線的ではないため、これが不可能であることはすでにわかっています。数学を再解釈して矛盾を解決することはできません。数学を修正するだけです。
明白な解決策
この難問から抜け出す方法は 2 つしかありません。 1 つは、還元主義を拒否し、大きなオブジェクトが行ういくつかのことは、原理的にも、それらの構成要素が行うことから導き出すことができないことを受け入れることです。
還元主義を拒否することは哲学者の間では人気がありますが、科学者の間では非常に人気がなく、それには正当な理由があります。還元主義は非常に成功しており、経験的に確立されています。さらに重要なことは、一貫性のある非還元主義的な自然理論を提案した人は誰もいないということです (ただし、間違っていない詳細なパンフレットを数えない限り)。そして、より良い説明を提案せずに還元主義を放棄することは、役に立たないだけでなく、完全に反科学的です.進歩の助けにはなりません。
もう 1 つの論理的な解決策は、量子力学は基本的な理論ではなく、その問題は現実のより深い層を垣間見るものであるということです。
量子力学が基本的な理論ではない場合、量子測定の結果を予測できない理由は、単に情報が不足しているためです。したがって、量子ランダム性は、サイコロを投げる場合のランダム性と何ら変わりはありません。
さいころを投げた結果は、原則として予測可能です。手の正確な動き、サイコロの形状の不完全さ、サイコロが転がる表面の粗さなど、非常に小さな詳細にも非常に敏感であるため、実際には予測できません。これは私たちが持っていない (または持っていたとしても計算できない) 情報であるため、サイコロを投げることはすべての実用的な目的のためにランダムです。私たちができる最善の予測は、未知の正確な詳細を平均すると、顔が現れる確率は 6 分の 1 であるということです。
これが量子力学を理解する方法です。測定結果は原則として予測可能です。情報が不足しているだけです。したがって、波動関数自体は単一の粒子の記述ではありません。これは、欠落しているすべての詳細の平均になります。これは、量子力学が確率論的予測のみを行う理由を説明します。また、基礎となる新しい理論は、既にテストした場合の量子力学の予測を再現する必要がありますが、この理論があれば、どの場合に量子力学からの逸脱が見られるかを知ることもできます.
この考えは、波動関数の挙動を決定する経験的に確認された方程式が、物理学者が単一粒子ではなく粒子の集合の挙動を記述するために使用する方程式とほぼ同じであるという事実によって裏付けられています。
歴史的に、量子力学を理解するこの方法は「隠れ変数理論」と呼ばれてきました。ここでいう「隠れ変数」とは、すべての未知の情報の総称であり、それがあれば量子測定の結果が得られるはずです。
これらの隠し変数は、必ずしも粒子自体のプロパティではないことを強調しておく必要があります。実際、それらが存在するという考えは、すでに実験によって強く否定されています。実行可能な隠し変数は、システムのグローバル構成で不足している情報をエンコードします。したがって、隠れ変数の理論は、そこから量子力学を導き出すことができるという意味で還元主義的ですが、新しい物理学は、巨大な粒子加速器でテストしなければならないほど短い距離には存在しません.
物理学はどのように間違った道を歩んだか
変数が隠れている理論は量子力学の解釈ではないことを強調しておきます。それらは、自然をより正確に記述し、測定の問題を口に出すのではなく実際に解決できるさまざまな理論です。
言うまでもなく、量子力学が平均の理論のように歩き、話すことを指摘したのは私たちが初めてではありません。これは、ランダムな測定結果に直面したときに、おそらく誰もが頭に浮かぶことです。また、隠れ変数は、量子力学の初期の頃から物理学者によって考慮されてきました。しかしその後、彼らはその選択肢は実行不可能であると誤って結論付け、現在もその誤りが続いています.
何十年も前に物理学者が犯した過ちは、1964 年にジョン ベルによって証明された数学的定理から間違った結論を引き出すことでした。この定理は、隠れ変数によって測定結果を予測できる理論では、測定結果間の相関関係が一定の範囲に従うことを示しています。それ以来、数え切れないほどの実験により、この境界が破られる可能性があることが示されています。したがって、ベルの定理が適用される隠れ変数理論のタイプは反証されています。物理学者が導き出した結論は、量子論は正しく、隠れ変数は正しくないというものです。
しかし、ベルの定理は、それ自体は証拠によってサポートされていない仮定を立てています。つまり、隠れ変数 (それが何であれ) は検出器の設定とは無関係であるということです。 「統計的独立性」と呼ばれるこの仮定は、実験に丸薬、マウス、がん細胞などの大きな物体のみが含まれる限り、妥当です。 （実際、この場合、統計的独立性の違反は、実験が改ざんされたことを強く示唆します。）しかし、それが量子粒子に当てはまるかどうかは誰にもわかりません。このため、ベルの定理をテストする実験は、量子論を支持するのではなく、統計的独立性が破られていることを証明したと同様に結論付けることができます.
統計的独立性に違反する隠れ変数理論は、その名前を超決定論に与えます。驚くべきことに、それらが除外されたことは一度もありません。物理学者がこれまで行ってきたものとは異なるタイプの実験が必要になるため、それらは実験的にテストされたことさえありません。超決定論をテストするには、量子物理学が私たちが考えているほどランダムではないという証拠を探す必要があります.
超決定論の核心となる考えは、自然法則が粒子の特定の構成を禁止する (または、実際の目的では決して発生しないようにする) ため、宇宙のすべてが他のすべてのものに関連しているということです。空の宇宙があり、その中に 1 つの粒子を配置した場合、他の粒子を任意に配置することはできません。彼らは最初のものと一定の関係に従わなければなりません.
この普遍的な関連性は、特に、量子粒子の特性を測定したい場合、この粒子は測定装置から独立していないことを意味します。これは、装置と粒子の間で何らかの相互作用が発生しているからではありません。両者の依存関係は単なる自然の特性ですが、大型デバイスのみを扱っている場合は見過ごされがちです。もしそうなら、量子測定は明確な結果をもたらし、したがって測定問題を解決しますが、それでもベルの限界の違反を引き起こします.突然、すべてが理にかなっています!
物理学者が矛盾した理論に半世紀を費やしたにもかかわらず、統計的独立性が侵害される可能性があることを真剣に考えなかった理由を説明するのは困難です。その理由の一部は、統計的独立性のかなり技術的な仮定が、比喩的に実験者の自由意志に関連するようになったことにあると思われます。人間は、自由意志を信じるように認知的に偏っています。この偏見は、物理学者が有望な説明をまとめて見て見ぬふりをすることに貢献した可能性があります。
自由意志の問題は、統計的独立性が侵害された場合、実験者が装置の設定と測定する粒子の準備の両方を自由に選択できないように思われるため、超決定論に結びついています。しかし、自由意志は激しい議論に火をつける傾向がありますが、量子物理学の理解には完全に接しています。検出器の設定は機械で選択できます。また、統計的独立性に違反しても、実験者が好きな設定を選択できないということにはなりません。これは単に、それらの設定が測定結果を決定する情報の一部であることを意味します。
本当の問題は、量子実験で統計的独立性が微妙に侵害された場合に正確にどのような結果になるかについて、ほとんど注意深い分析が行われていないことです。上で見たように、測定の問題を解決する理論は非線形でなければならず、したがってカオスダイナミクスを引き起こす可能性が最も高い.小さな変化が大きな結果をもたらす可能性は、カオスの特徴の 1 つですが、隠れ変数に関する議論では完全に無視されてきました.
低リスク、高収益
量子力学の技術的関連性を考えると、量子力学を超えて前進することは、大きな科学的ブレークスルーとなるでしょう。しかし、歴史的な遺産のために、超決定論に取り組んだ、または現在取り組んでいる研究者は、無視されるか、または嘲笑されてきました。結果として、このアイデアは非常に未熟なままです.
研究が不足しているため、現在のところ、超決定論に一般的に適用できる理論はありません。ベルの不等式の違反を理解するための基礎を提供するモデルはいくつかありますが、量子力学の既存の理論ほど柔軟な形式はありません。超決定論は、測定結果が量子力学よりもランダムに分散されないようにするなど、主にモデルに依存しないいくつかの予測を行いますが、そのような予測は本格的な理論に基づいていないため、批判するのは簡単です。実験家は、そのアイデアを真剣に受け止めていないため、そのアイデアをテストすることさえしたくありません。しかし、偶然に超決定論の証拠を見つけることはまずありません。この考えの決定的な特徴である普遍的な関連性は、素粒子のレベルでは現れません。したがって、より大きな粒子加速器を使用してより小さな距離を調査することが、未解決の根本的な問題の解決に役立つとは考えていません。
今日のほとんどの物理学者が、測定問題が解決されたと誤って教えられたり、隠れた変数が除外されたと誤って考えたりしていることは、何の助けにもなりません。量子力学について気が遠くなるようなことがあるとすれば、それは、物理学者がその問題を解決するための最も明白な方法をほとんど完全に無視してきたことです.
Sabine Hossenfelder は、ドイツのフランクフルト高等研究所の物理学者です。 Tim Palmer は、英国オックスフォード大学の物理学科の王立協会研究教授です。
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追加資料
パーマー、T.N.ブロック球の離散化、フラクタル不変集合、およびベルの定理。 arXiv:1804.01734 (2020).
Hossenfelder, S. &Palmer, T.N.超決定論の再考。 arXiv:1912.06462 (2019).
