はじめに
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量子論の主要な解釈の 1 つは非常に説得力があります。たとえば、私たちが経験する世界は、それが構築されている亜原子の領域とは根本的に分かれていると信じるように求められます。あるいは、並行宇宙が急増しているとか、神秘的なプロセスによって量子性が自然に崩壊しているとか。この満足のいかない状態は奇妙なビヨンドの重要な要素でした。 、量子力学の意味についての私の2018年の本。量子理論が開発されてから 1 世紀が経った今、量子理論が現実について何を語っているかについて、専門家の間で意見がこれまで同様に分かれているのも不思議ではありません。
しかしデコヒーレンスと量子ダーウィニズムを読んだ後 物理学者のヴォイチェフ・ズレクが2025年3月に出版した本ですが、私はそれらの空想的な概念をすべて取り除いてくれる答えが得られる可能性に興奮しています。ニューメキシコ州ロスアラモス国立研究所のズレク氏は、原子や素粒子の挙動を支配する量子則が、日常生活のスケールで作用する古典物理学の法則（ニュートンの運動法則など）にどのように切り替わるのかという問題を解決するために数十年にわたって取り組んできた。
この遷移がどのように起こるかについてのズレックの重要なアイデアは、デコヒーレンスと呼ばれ、かなりよく確立されています。しかし、彼の本は、彼が開発してきたすべての要素を初めて総合的にまとめたものです。彼は、量子論の古い謎が解け始めていると主張する。私の目には、ズレクはほぼそうなっています。 実質的に新しい仮定や推測的な仮定を持ち出すことなく、100年間物理学を混乱させてきた未解決の問題を解決しました。そうすることで、彼はこれまで相容れなかったものを団結させると主張する。彼のアプローチが私たちをどこまで導くのか、そして残された謎がどこにあるのかを見てみましょう。
量子力学についてある程度の知識がある場合は、大きくて奇妙な取引は量子の部分であると考えるのも無理はありません。つまり、最も微細なスケールでの世界は粒子が粗く、粒子は固定サイズの小さなエネルギーのパケットを交換することによってのみ、突然の量子ジャンプでエネルギーを変化させることができるという考えです。しかし、それ自体はそれほど頭を痛めるようなものではありません。あるいは、最も奇妙なものは、ヴェルナー ハイゼンベルクの有名な不確実性原理であると想像するかもしれません。これは、粒子の位置と運動量など、一定の限界を超える精度で同時に知ることは決してできない、いくつかの特性のペアが存在すると規定しています。粒子がどこにあるのかを正確に測定すると、粒子がどこへ行くのかがわからなくなります。しかし、この不確実性は、より深刻な問題の兆候にすぎません。
結局のところ、量子力学をめぐる議論は、現実とは何かという、より大きな問題を抱えています。基本的な問題は、原子や電子などの量子系の測定を行った場合に何が観察されることが期待できるかを理論が教えてくれるということです。それは他の科学理論とそれほど変わらないように聞こえるかもしれませんが、実際はそうです。量子力学が実際に提供するのは、測定結果の確率です。それだけでは、測定を行う前に世界がどのようなものだったのかを推測することはできません。それは世界がどうなっているかについては教えてくれません。私たちが見れば何が見えるかだけを教えてくれます。 。メリーランド大学の物理学者で哲学者のジェフリー・バブ氏は、量子不確実性は、「何が事実なのかについて単に無知であることを意味するのではなく、まだ真理値を持たないもの、つまり測定する前にはどちらか一方に定まらないものについての新しい種類の無知を表している」と語った。
1926 年にエルヴィン シュレーディンガーによって提示された量子力学の定式化では、量子系の状態は波動関数と呼ばれる数学的実体によって表されます。波動関数は、量子システムの測定で考えられるさまざまな結果の確率を予測できる抽象的な構造です。その特性の 1 つ、たとえば電子の位置を測定する前に、そのすべての可能な位置が波動関数で「重ね合わせ」として表現されます。つまり、それぞれがある程度の確率で潜在的に観測可能であることを意味します。特定の観察または測定では、それらの結果のうちの 1 つだけが表示され、連続した同一の実験では異なる結果が表示される可能性があります。測定という行為により、この曖昧な量子性が消え去り、古典的現実の経験に沿った明確な何かに置き換えられるようです。
したがって、波動関数は、量子系がどのようなものかを測定する前に知ることはできません。対照的に、マクロスケールの古典物理学、ニュートン物理学では、誰も見ていないときでも、物体は明確に定義された特性と位置を持っています。古典的世界と量子の世界は、1920 年代後半のハイゼンベルクが「切断」と呼んだものによって分割されているように見えます。彼とコペンハーゲンのニールス・ボーアにとって、現実は古典物理学によって記述されなければならなかったが、量子力学は、古典的実体である私たち自身がミクロの世界について観察したものを記述する必要があるという理論であった。それ以上でもそれ以下でもありません。
しかし、大きなものと小さなものに対して、なぜ 2 つの異なるタイプの物理学 (古典物理学と量子物理学) が必要なのでしょうか?そして、一方が他方からどこでどのように引き継ぐのでしょうか？ボーアと彼の同僚にとって、原子のスケールと人間のスケールは大きく異なっているように見えたので、その問題はあまり重要ではないようでした。いずれにせよ、量子方程式に何を含めるかに応じて、どこにカットを入れるかについてはある程度の選択肢がある、と彼らは言いました。しかし今日、私たちは、量子則を適用すべきか古典則を適用すべきかが明らかでない、例えば数ナノメートルの中間のメソスケールを含む、多くの長さスケールにわたって世界を調査することができます。そして実際、実験が制御され、十分な感度があれば、通常の光学顕微鏡で観察できるほど大きな物体の量子の挙動を見つけることができます。したがって、量子から古典への移行、つまりズームアウトしたり測定したりするときに起こるように見える「現実になる」ことをどのように説明するかという問題を避けることはできません。
量子力学自体は、波動関数で表されるすべての量子確率が単一の観測値に「崩壊」するこの測定プロセスを説明していないようです。ボーアとコペンハーゲンの同僚にとって、崩壊は単なる比喩的なものであり、私たちが経験する古典的な世界を反映したものでした。他の人は、この崩壊を、多くの可能性の中から独自の結果を選び出す、実際の自発的でランダムなタイミングの物理的出来事として説明しようとしていますが、どのような要因がそのような物理的崩壊を引き起こすのかは不明です。ルイ・ド・ブロイによって仮定され、後にデヴィッド・ボームによって開発された記述を援用する人もいます。この記述では、粒子は明確に定義された特性を持っていますが、干渉などの量子オブジェクトの奇妙な波状の動作を生成する謎の「パイロット」波によって操縦されます。また、現在では一般に「多世界」と呼ばれているヒュー・エベレットの 1957 年の解釈を採用する人もいます。この解釈では、崩壊は存在しないが、すべての測定結果は平行世界で実現されるため、現実は常に複数の相互にアクセスできないバージョンに分岐していると想定されています。
Michael Waraksa :Quanta Magazine
これらすべてが私にはいつも空想のように思われてきました。従来の量子力学でどこまで達成できるか試してみてはいかがでしょうか?理論の正式な数学的枠組みだけを使用して、量子力学から独特の古典的世界がどのように生じるかを説明できれば、ボーアの「コペンハーゲン解釈」の不満足で人為的なカットと、その他の難解な道具の両方を不要にすることができます。
ここでズレクの研究が登場します。1970 年代から、彼と物理学者の H. ディーター ゼーは、量子論自体が測定について何を教えてくれるのかを詳しく調べました。 (研究者たちが何十年もの間、これらの理論の基本的だが未解決の問題について、それはすべて無意味な哲学であるという理由で質問することを思いとどまらなかったら、このような事態はもっと早く起こっていたかもしれません。)
Zurek のアプローチの中心要素は、量子もつれと呼ばれる現象です。これは、量子スケールで発生するもう 1 つの非直観的な現象です。シュレディンガーは 1935 年にこの現象に名前を付け、これが実際には量子力学の重要な特徴であると主張しました。彼がこの名前を思いついたのは、2 つの量子粒子が物理的な力によって接触すると、奇妙に相互接続しているように見えることをアルバート・アインシュタインと同僚が指摘した後です。それらの一方を測定すると、たとえそれらがもう近くになくても、もう一方の特性に即座に影響を与えているように見えます。ここで「のように見える」ということが重要な用語です。実際、量子力学によれば、相互作用とその結果として生じるもつれにより、粒子はもはや別個の実体ではなくなります。それらは、両方の粒子の可能な状態を定義する単一の波動関数によって記述されます。たとえば、結合波動関数は、一方が磁気的にどちらの方向を向いていても、もう一方は反対の方向を向いている必要があると示す可能性があります。
粒子が相互作用すると、絡み合いが避けられません。これは測定プロセスにとって意味のあることです。観察中の量子物体が測定機器の原子と絡み合うことになります。ここでの「測定」とは、科学キットのような派手なものを使って物体を調べることを意味する必要はありません。それは、環境と相互作用するあらゆる量子オブジェクトに適用される。リンゴの中の分子は量子力学によって記述され、表面の分子から反射した光の光子はそれらの分子と絡み合います。それらの光子は、分子に関する情報を目に伝えます。たとえば、リンゴの皮の赤さについての情報は、リンゴを構成する分子の量子エネルギー状態に由来します。
言い換えれば、ズレクとゼーは、もつれは遍在しており、それが量子と古典の間の情報の導管であることに気づきました。量子物体は環境と相互作用するにつれ、量子物体は環境に巻き込まれるようになる。 Zeh と Zurek は、通常の量子数学のみを使用して、このもつれが物体の量子性を「薄める」ことを示しました。これは、物体の量子性がもつれ環境との共有特性となり、量子効果が物体自体ではすぐに観察できなくなるためです。彼らはこのプロセスをデコヒーレンスと呼んでいます。たとえば、量子対象の重ね合わせは、そのすべての環境のもつれの間に広がるため、重ね合わせを推定するには、すべての(急速に増殖する)もつれを持つ実体を調べる必要があります。それを実現する希望は、海に飛散したインクの塊を再構築する希望と同様にありません。
Wojciech Zurek (上) は、共同研究者の Jess Riedel (左下) および故 H. Dieter Zeh (右下) とともに、量子と古典の溝を埋めるために数十年にわたって取り組んできました。
ヴォイチェフ・ズレク氏のご厚意による。ロッド・サーシー;ロルフ・キック、ウィキメディア・コモンズ経由
デコヒーレンスは信じられないほど早く発生します。空気中に浮遊する塵粒子の場合、光子および周囲のガス分子との衝突により、約 10 ～ 31 秒でデコヒーレンスが発生します。これは、光が単一の陽子を通過するのにかかる時間の約 100 万分の 1 です。実際、デコヒーレンスは、繊細な量子現象が環境に遭遇するとほぼ瞬時に破壊します。
しかし、測定はデコヒーレンスだけを意味するものではありません。それは、環境との絡み合いであり、その環境上の物体に関する情報を刻印します (たとえば、測定装置など)。過去 20 年ほどにわたり、ズレック氏はそれがどのようにして起こるのかを解明してきました。一部の量子状態には、デコヒーレンスによってぼやけて見えなくなることなく、環境上に複数の痕跡を生成できる数学的特徴があることが判明しました。したがって、これらの状態は、観測可能なデコヒーレントな古典的世界に「生き残る」プロパティに対応します。
これが可能となるのは、各インプリントを生成する相互作用が、量子システムを別の状態に倒したり、他の状態と混ぜたりするのではなく、相互作用前の状態に保持するためです。たとえば、光子は原子から反射し、系の量子状態を変えることなく、原子に関する位置情報を持ち帰ることができます。
ズレック氏は、これらの堅牢な状態を「ポインター状態」と呼んでいます。なぜなら、これらの状態は、測定装置の針が特定の結果を指す可能性があるからです。ポインタの状態は、位置や電荷など、古典的に観察可能なプロパティに対応します。一方、量子の重ね合わせにはこの性質がありません。コピーを堅牢に生成できないため、それらを直接観察することはできません。言い換えれば、それらはポインタ状態ではありません。
Zurek は、ポインターの状態を環境内に効率的かつ堅牢に何度も刻印できることを示しました。そのような州こそが「最も適した」州である、と彼は私に語った。 「彼らはコピーの過程を生き延びることができるので、彼らに関する情報は増える可能性があります。」ダーウィンの進化論と同様に、それらはこの方法で増幅される、つまり複製されるのが得意であるため、古典的世界への翻訳のために「選択」されます。これがズレクの本のタイトルの「量子ダーウィニズム」です。
これらの痕跡は非常に急速に増殖します。 2010 年、ズレックと彼の共同研究者ジェス リーデルは、1 マイクロ秒以内に、太陽からの光子が塵の粒の位置を約 1,000 万回刻印すると計算しました。
ズレックの量子ダーウィニズム理論は、量子系とその環境の相互作用に適用される量子力学の標準方程式のみを使用しており、現在実験的に検証されている予測を行っています。たとえば、量子システムに関するほとんどの情報は、環境内のわずかな痕跡から収集できると予測されています。情報コンテンツはすぐに「飽和」します。予備実験でこれが確認されましたが、やるべきことはまだあります。
これまで見てきたように、それぞれの痕跡は古典的な観察、つまり私たちの現実の要素とみなすことができるものに対応しています。たとえばこれでは、電子は磁気的に上を向いています。 刻印。しかし、元の量子状態には異なる結果の確率が含まれているため、あるインプリントが「上」に対応し、別のインプリントが「下」に対応し、その結果、異なる観察者が異なる現実を見ることは考えられないでしょうか。正確には重ね合わせではなく、古典的現実の複数のバージョンの形での明らかな結果です。
これは、デコヒーレンス理論の別の啓示につながります。それは、ズレクの理論が完全な物語を語っていると私に確信させるものです。すべてのインプリントが同一でなければならないと予測します。したがって、量子ダーウィニズムは、独自の古典的世界が量子確率から出現する可能性があり、また出現しなければならないと主張します。この合意の押し付けにより、むしろ神秘的でその場限りの崩壊プロセスが回避され、より厳密なものが選択されます。観察されている物体は、その巨視的環境において同一の観察可能な痕跡の雲に囲まれており、ズレックが言うように「比較的客観的な存在」の要素を形成します。それは私たちの具体的な古典的現実の一部となり、彼はそれをエクスタントンと呼びます。
この理論が解釈に関する論争を解決すると約束しているのはここである。ズレク氏は、これにより、不可能に思われたこと、つまりコペンハーゲンと多世界の解釈の調和が達成されたと述べています。前者では、 波動関数は認識論的であると考えられます。 :量子の世界について私たちが知ることができることについて説明します。後者では、 波動関数はオンティックです。 :たとえ私たちがこの量子多元宇宙の 1 つの分岐しか体験できないとしても、それは究極の現実です。つまり、現実のすべての分岐を一度に記述したものです。ズレク氏は、波動関数は実際にはその両方であると述べています。 「量子状態についての 2 つの相反する見方（認識論的とオンティック）、そして状態がどちらか一方でなければならないという主張は間違いです」と、彼の本が語る物語について私が彼に質問したとき、彼は私にこう言いました。その代わりに、国家は「エピオンティック」です。つまり、デコヒーレンスが発生する前には、ある意味ですべての量子の可能性が存在します。しかし、デコヒーレンスと量子ダーウィニズムは、それらのうちの 1 つだけを私たちの観察可能な現実の要素として選択し、他のすべてをどこか別の世界の古典的な現実に割り当てる必要はありません。他の状態は可能性の抽象的な空間に存在しますが、そこにとどまり、観察可能な現実への絡み合いを通じて成長する機会を決して得ることができません。
私はズレックの写真がついに量子力学を解明したとは言いたくない。たとえば、 なぜこれが行われるのでしょうか。 結果は特定の測定で選択され、その測定では選択されませんか?私たちは（ボーアとハイゼンベルクが主張したように）それが何の理由もなくランダムに起こることをただ受け入れなければならないのでしょうか？そして、量子の世界はどの時点で、特定の測定結果に取り消し不能の形でコミットし、物体と環境の間の絡み合った相互作用の網から重ね合わせを「収集」できなくなるのでしょうか?そして最も重要なことは、理論をより厳密にテストするにはどうすればよいでしょうか?
ズレックの写真について私が話を聞いた専門家の中には、慎重な熱意を示した人もいます。例えば、オーストラリアのクイーンズランド大学のサリー・シュラプネル氏は、ズレックのプログラムは「量子論の基本公準から古典性の出現を説明する洗練されたアプローチを表している」が、「根底にある『量子基質』が実際には何なのかという難しい問題」にはまだ取り組んでいないと語った。たとえば、デコヒーレンス以前にすべての可能性がまだ存在する領域について、どのように考えるべきでしょうか?それはどれほど「本物」なのでしょうか?
スイス連邦工科大学チューリッヒ校のレナト・レンナー氏は、コペンハーゲン解釈と多世界解釈との間の矛盾を解決すればすべての問題が解決するとは考えていない。彼は、さまざまな観察者が結果について同意できないような、奇妙だが実験的には実行可能なシナリオを構築する可能性があると指摘しています。たとえそのような例外が不自然に見えたとしても、それらは本当に機能する量子解釈がまだ見つかっていないことを示していると彼は考えています。
それでも、ズレクのアプローチの哲学は私には正しいように思えます。量子力学の測定問題を解決するために複雑な物語をでっち上げようとする代わりに、量子物体に関する情報がどのようにして観測可能な世界に取り出されるのかについて、標準的な量子力学が言えることを辛抱強く慎重に検討してみてはいかがでしょうか?ここで、量子の先駆者たちは、1世紀前に始めた革命において多くの仕事を未完のままにし、（通常はコペンハーゲン解釈を主張するか、単に疑問を持たずにそれを受け入れることによって）問題を時期尚早に先送りしました。これで、少なくともそのタスクを完了できると期待できます。
