物理学者は量子論の使い方を知っています。携帯電話やコンピューターから、その証拠がたくさん得られます。しかし、それをどのように使用するかを知ることは、理論が説明する世界を完全に理解することとはかけ離れています。あるいは、科学者が理論で使用するさまざまな数学的装置が何を意味すると考えられているかを理解することさえもできません。 量子状態として知られている、物理学者の間で長い間議論されてきた数学的対象の 1 つです。 .
量子論の最も顕著な特徴の 1 つは、その予測が事実上すべての状況下で確率論的であることです。実験室で実験を設定し、量子論を使用して、実行する可能性のあるさまざまな測定の結果を予測する場合、理論が提供できる最高のものは確率です。たとえば、1 つの結果が得られる可能性は 50% です。 50% の確率で別のものを入手できます。量子状態が理論で果たす役割は、これらの確率を決定するか、少なくともエンコードすることです。量子状態がわかっている場合は、可能な実験に対して可能な結果が得られる確率を計算できます。
しかし、量子状態は最終的に現実の客観的な側面を表しているのでしょうか、それとも私たちについて何かを特徴づける方法なのでしょうか? 、つまり、ある人が知っていることについての何か 現実について？この問題は量子論の初期の歴史にまでさかのぼりますが、最近再び活発な話題になり、多数の新しい理論的結果やいくつかの実験的テストさえも刺激しています.
量子状態が誰かが知っていることを表している理由を確認するために、確率を使用する別のケースを考えてみましょう。友達がサイコロを振る前に、どちらの面が上になるかを当てます。あなたの友人が標準的な 6 面サイコロを振った場合、通常、あなたが正しいと思う確率は約 17% (または 6 分の 1) であると言うでしょう。ここで、確率はあなたに関する何かを表しています:サイコロについてのあなたの知識の状態です。彼女がそれを転がしている間、あなたが背中を向けているとしましょう。その結果、彼女は結果 (たとえば 6) を見ることができますが、あなたには見えません。あなたに関する限り、彼女はそれを知っていても、結果は不確かなままです.何らかの事実があるにもかかわらず、人の不確実性を表す確率は、認識論的と呼ばれます 、知識を表すギリシャ語の 1 つから。
これは、あなたとあなたの友人が、どちらかが間違っていなくても、非常に異なる確率を割り当てることができることを意味します。あなたはサイコロの目が 6 になる確率は 17% だと言いますが、あなたの友人はすでに結果を見たことがあるので、それは 100% だと言います。これは、それぞれが異なることを知っているためであり、確率はそれぞれの知識の状態を表しています。唯一の不正解 実際、割り当ては、サイコロが 6 を示す可能性はまったくないと述べたものです。
過去 15 年ほどの間、物理学者は、量子状態が同様の方法で認識論的であるかどうかを尋ねてきました。世界の構成に関する何らかの事実があると仮定します — 空間における粒子の配置のようなもの、またはサイコロ ゲームでの実際の結果でさえ — しかし、あなたはそれが何であるかを知りません。これらのアプローチによると、量子状態は、世界の構成に関する不完全な知識を特徴付ける方法にすぎません。ある物理的状況を考えると、持っている情報によっては、量子状態を割り当てる正しい方法が複数ある場合があります。
物理システムについて何かを測定すると、量子状態がどのように変化するかを考えると、量子状態をこのように考えるのは魅力的です。システムを測定すると、一般に、考えられる結果ごとにゼロ以外の確率がある状態から、結果が 1 つだけ発生する状態に変化します。これは、サイコロのゲームで、サイコロが実際に 6 を示していることを知ったときに起こることとよく似ています。 世界が あなたが何かを測定したという理由だけで変わるでしょう。しかし、変化するのがあなたの知識だけであれば、物事はそれほど奇妙に見えません。
量子状態が認識論的であると考えるもう 1 つの理由は、ほとんどの場合、1 回の実験では、実験前の量子状態が実際にどのようなものであったかを知る方法がないことです。これは、サイコロ ゲームの確率にも似ています。別の友人がゲームをプレイしに来て、サイコロが 6 を示す確率はわずか 10% であると主張しましたが、あなたはまだ 17% であると言っています。 1 回の実験で誰が正しいかを示すことができますか?いいえ。その理由は、実際の結果 (たとえば 6 つ) が 両方 と互換性があるからです。 あなたの確率割り当ての特定のケースであなたやあなたの友人が正しいかどうかを判断する方法はありません.量子論への認識論的アプローチによれば、ほとんどの量子状態を実験的に区別できない理由は、サイコロ ゲームのようなものです。複数の量子状態と互換性のある実際の物理的状況には、いくつかの可能性があります。
オンタリオ州ウォータールーにある Perimeter Institute for Theoretical Physics の物理学者である Rob Spekkens は、2007 年に、量子理論を模倣するように設計された「おもちゃの理論」を提示する、影響力のある論文を発表しました。玩具理論は量子理論と同じではありませんでした。これは、非常に単純なシステム、つまり、色の「赤」または「青」や「上向きまたは下向き。しかし、量子論と同様に、確率の計算に使用できる状態が含まれていました。そして、少なくともこれらの単純なシステムについては、量子論と同じ予測の多くを行いました。
スペッケンズのおもちゃ理論は刺激的でした。量子論と同様に、その状態は一般に「区別がつかない」からです。 同じ基本的な物理的状況との相互の互換性によって説明されます。言い換えれば、おもちゃ理論は量子論に非常に似ており、その状態は明白に認識論的でした。量子状態の区別がつかないことは、認識論的アプローチに傾倒している人々にとって、受け入れられた説明がないので、問題は、彼らがまったくそれを思いつくことができるかどうかということです.スペッケンズと他の人々は、これを、量子状態も認識論的である可能性があるという強力な証拠として取り上げました.おもちゃの理論がより複雑なシステムに拡張できれば.それ以来、彼の研究をすべての量子現象をカバーするように拡張しようとする物理学者もいれば、それがどのように間違っているかを示そうとする物理学者もいるなど、一連の研究が行われています。
これまでのところ、否定派が優勢のようです。たとえば、Nature Physics の 2012 年の論文で広く議論された結果の 1 つです。 、理論物理学者のマシュー・ピュージー、ジョナサン・バレット、テリー・ルドルフによる、物理実験が常に互いに独立して設定できる場合、それらの実験を説明する「正しい」量子状態についてあいまいさはあり得ないことを確立しました。他の量子状態は間違っているでしょう。実際に 6 が出たサイコロで 6 が出る可能性が 0% であると考えるのが間違っているのと同じように.
Physical Review Lettersに掲載された別の論文 ジョナサン バレット、エリック カヴァルカンティ、レイモンド ラル、オーウェン マロニーによる 2014 年の研究では、スペッケンズのおもちゃ理論を、「赤」、「青」、量子論の予測に反することなく、単に「赤」と「青」ではなく、「緑」を色として使用します。著者らは、量子論の予測と認識論的アプローチが行わなければならない予測との違いを見分けることができる実験を提案しました。これまでのところ、実行された実験はすべて標準的な量子論と一致しています。言い換えれば、状態が認識論的である理論は、量子論とは異なる予測を行うため、量子状態を認識論的であると解釈することはできないようです.
では、これらの結果は、量子状態が私たちの心の特徴であるという考えを除外するのでしょうか?はい、いいえ。認識論的アプローチに反対する議論は、物理理論について考えるための特定のフレームワークで証明された数学的定理です。認識論的アプローチを説明する方法として Spekkens と共同研究者によって最初に開発されたこのフレームワークには、いくつかの基本的な仮定が含まれています。 1つは、世界は常に何らかのオンティックにあるということです 状態、私たちがたまたま知っていることとは無関係の決定的な物理的状態であり、量子状態と一致する場合と一致しない場合があります。もう 1 つは、物理理論が標準確率論の方法を使用して表現できる予測を行うことです。これらの仮定には議論の余地はありませんが、それが正しいというわけではありません。 自然物理学とは と物理レビューレター 結果は、量子論に同意しながらも、スペッケンズのおもちゃのモデルと同じように認識論的である理論がこのフレームワークに存在し得ないことを示しています。
これが最後の言葉であるかどうかは、フレームワークに対する見方によって異なります。そして、この件に関しては、意見が異なる場合があります。
たとえば、オックスフォード大学の物理学者兼哲学者であり、2014 年の Physical Review Letters の著者の 1 人でもある Owen Maroney は、 論文は電子メールで、「最も妥当な psi-epistemic モデル」、つまり Spekkens のフレームワークで対応できる認識モデルは「除外されつつある」と述べています。同様に、チャップマン大学の物理学者で、量子状態への認識論的アプローチについて幅広く執筆している Matt Leifer は、2012 年の Nature Physics あなたが彼らの独立性の仮定を喜んで受け入れる限り、結果は事件を終結させます (Leifer 氏によると、彼は「しばしばそうする傾向がある」とのことです)。
スペッケンズ自身はもっと慎重です。彼は、これらの結果が量子状態への認識論的アプローチに重要な制約を課したことに同意します。しかし、これらの結果はすべて彼のフレームワーク内で証明されていることを彼は強調し、そのフレームワークの創始者として、確率に関する仮定など、フレームワークには限界があることをすぐに指摘します。したがって、量子状態への認識論的アプローチは依然として十分に動機付けられているが、それらが成功するためには、ほとんどの物理学者が疑いなく受け入れようとしてきた物理理論に関する基本的な仮定を再検討する必要があると彼は考えている.
しかし、明らかに明らかなことは、量子論の基礎的な問題に関して真の進歩が見られたことです。多くの物理学者は、新しい粒子加速器の設計やより優れたレーザーの構築など、ほとんどの量子物理学者が懸念している問題とは関係がないため、量子状態の意味に関する質問を単に解釈上のもの、またはさらに悪いことに「哲学的」として却下する誘惑に駆られます。問題が「哲学的」であると言うと、それが数学的および実験物理学の範囲外にあるかのように思われます。
しかし、認識論的アプローチに関する研究は、これがいかに間違っているかを示しています。 Spekkens と彼の共同研究者は、量子状態の解釈を行い、それを正確な仮説に変えることに成功しました。この仮説は、その後、数学的および実験的結果によって反駁されました。これは、認識論的アプローチが死んだことを意味するわけではありませんが、彼らの支持者に新しい仮説を思いつくことを強いています.そして、それは明白な進歩です — 科学的との両方 哲学的。
ジェームズ・オーウェン・ウェザーオール は、カリフォルニア大学の論理学と科学哲学の教授です。アーバイン。彼の最新の本は Void:The Strange Physics of Nothing（イェール大学出版局、2016 年）、17 世紀から今日までの物理学における空の空間の構造を探ります。
視聴:ローレンス・クラウスは、物理学には哲学が必要だと言っていますが、哲学者だけではありません。 .
この古典的な Facts So Romantic の投稿は、もともと 2017 年 4 月に公開されたものです。
