【量子力学入門⑧】世界は本当に離れているのか

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【量子力学入門①】

前回、アインシュタインは最後まで、量子力学が描く世界の曖昧さを信じなかったという話をした。「我々が知らないだけで、答えは最初から決まっているはずだ」という立場だ。これを物理学の用語では「局所実在論」と呼ぶ。難しそうな名前だが、中身はシンプルである。「物事には、観測する前からちゃんとした値があり、しかもそれは、遠く離れた場所での出来事に、瞬時に影響されたりしない」という、ごく常識的な世界観のことだ。

アインシュタインがこの立場にこだわった理由の一つに、「量子もつれ」と呼ばれる、彼が「不気味な遠隔作用」と呼んで嫌い続けた現象がある。

話はこうだ。

ある条件のもとで、二つの粒子を生み出すと、その二つは「もつれた」状態になる。もつれた二つの粒子は、どれだけ引き離しても、片方を観測した瞬間、もう片方の状態が、まるで示し合わせたかのように、即座に決まってしまう。東京で片方を観測した瞬間、ニューヨークにあるもう片方の状態についての記述も更新される

これを聞いて、「なんだ、最初から二つの粒子の値は決まっていて、たまたま後から確認しただけじゃないか」と思う人も多い。赤い手袋と青い手袋を別々の箱に入れて世界中に送り出した場合、片方の箱を開けて赤だとわかれば、もう片方が青だとわかる。これは別に不思議でも何でもない。最初から決まっていたのだから。

アインシュタインも、これと同じ考え方だった。量子もつれの粒子も、最初から「こちらはこの値、あちらはこの値」と決まっていて、観測はそれを確認するだけに過ぎない。そう考えれば、不気味でも何でもない。

問題は、量子力学の予測が、この「最初から決まっていた」という説明と、微妙にだが決定的に、食い違う点があることだった。

ジョン・ベルは、1964年、この食い違いを数式にして示した。「もし値が最初から決まっていた(局所実在論が正しい)なら、二つの粒子の測定結果のあいだには、こういう統計的な制約があるはずだ」という不等式を導いたのである。これが「ベルの不等式」である。

ポイントは、この不等式が「実験で検証できる」という点だった。もし実験結果がベルの不等式を満たすなら、アインシュタインの言う通り、値は最初から決まっていたことになる。もし不等式を破るなら、量子力学の側が正しく、世界は「最初から値が決まっていて、しかも局所的に振る舞う」という説明では理解できないことになる。

実験は行われた。結果は、量子力学の側が正しかった。

ベルの不等式は、破られた。

これが意味することは、かなり深刻だ。もつれた二つの粒子は、どれだけ引き離しても、片方を観測した瞬間、もう片方の状態が「手袋のように最初から決まっていた」という説明では、もはや通らない。観測の瞬間、二つの粒子のあいだに存在していた相関は、「最初から決まっていた値」という説明では理解できないことがわかった。

ただし、これは「情報が光速を超えて伝わる」ということではない。もつれた粒子を使っても、情報を瞬時に送ることはできない仕組みになっている。この点はしばしば誤解されるので、念のため書いておく。

では何が起きているのか。量子力学の方程式は、正確に予測を出す。だが「なぜそうなるのか」という説明は、例によって、解釈によって変わる。コペンハーゲン解釈は「観測した瞬間に、遠くの粒子の状態も同時に決まる」と言う。多世界解釈は「世界が分岐して、それぞれの枝でそれぞれの値が決まる」と言う。どちらも、「情報が届いた」とは言わない。それでも、二つの粒子は、どこか深い場所で、繋がり続けているように見える。

アインシュタインはこれを「不気味な遠隔作用」と呼んで、死ぬまで受け入れなかった。実験によってベルの不等式が破られたのは、彼が亡くなってから十年以上後のことだった。

量子力学は、局所実在論を打ち砕いた。世界は、我々が思っているよりも、もっと深い場所で、もっと奇妙な形で、一つに繋がっているらしい。

「ここ」と「あそこ」は、思っていたほど、きっぱり分かれていなかった。

少なくとも量子の世界では、距離という常識は、我々が信じているほど絶対ではないらしい。

では、なぜ我々は、その奇妙な世界を見ずに済んでいるのだろう。

次に現れるのは、その疑問に答える概念――デコヒーレンスである。

次回　量子力学入門⑨
量子の世界に住んでいるのに誰も量子に見えない