この動画では、デビッド・ボームが提唱した量子力学の解釈であるボーム力学（パイロット波理論）が、70年の議論を経て最新の実験によって否定されたことを解説している。実験では導波路内でのフォトンのトンネル効果を観測し、ボーム力学が予測する「粒子の速度がゼロ」という結果とは異なる現象が確認された。この結果は標準的な量子力学とは整合するが、ボーム力学の粒子解釈に疑問を投げかける重要な成果である。
量子力学とボーム力学の対立
量子力学は1世紀以上の歴史を持ち、物理学者たちはその意味について同じくらい長い間議論を続けてきました。最も愛される解釈の一つは、デビッド・ボームによるものです。この解釈では、量子力学は実際には点粒子が導波に従って動くことを扱っているとされています。しかし、この解釈が実験によって否定されました。
これは70年間の議論を経た後の極めて重要な出来事です。ほとんど進歩と呼べるでしょう。標準的な量子物理学の定式化では、すべてが波動関数によって記述されます。波動関数自体は観測可能ではなく、私たちは測定結果を観測する確率を計算するためのツールとして使用するだけです。
量子物理学では、測定結果が正確に何になるかは予測できず、この確率だけが分かります。そのため、これは根本的にランダムな要素を持つ非決定論的理論なのです。
ボーム力学の基本概念
ボーム力学は「パイロット波理論」と呼ばれることもあり、デビッド・ボームによって約70年前に提唱されました。一見すると、これは量子物理学の数学的な再定式化に過ぎないように見えます。
波動関数を導場の方程式とその場で運動する粒子の方程式に分解します。そして、私たちは粒子がどこから始まったかを正確には知らなかったと言います。開始位置の確率分布があるだけです。そして対応して、可能な終了位置の確率が得られます。
これは、ボーム力学での観測は依然として確率的であることを意味しますが、その確率は粒子が「実際にどこにあったか」についての私たちの知識不足に帰せられます。この量子力学の書き換えは、粒子を扱うことを好む人にとって魅力的です。しかし、これは単なる再解釈ではありません。
ボーム力学の問題点
まず、ボーム力学では実際には粒子の位置しか測定できませんが、標準的な量子力学では、エネルギー、スピン、運動量など、あらゆる種類の異なる量を測定します。
これが、ボーム力学ではスピン測定が実際には何かの位置の測定に過ぎないことを説明するために、かなり複雑な説明をしなければならない理由です。もう一つの問題は、形式主義を真剣に受け取るなら、ボーム粒子は物理的に実在するということです。新しい実験が明確に否定したのは、まさにこの後者の点です。
革新的な実験設計
彼らは何をしたのでしょうか。この実験では、光子（光の量子）を2つの鏡の間の薄い隙間を通過させました。一方の鏡には小さな溝が刻まれており、基本的に一次元の導波路を作り出しています。そして、鏡は完全に反射的ではありません。光子の小さな部分が漏れ、それによって科学者たちは導波路内で何が起こっているかを測定できるのです。
導波路は最初深くなり、光子はより多くの空間を持ちます。そして突然ジャンプして再び薄くなります。これは突然のブロックのようで、光子にとっては壁にぶつかるようなものです。しかし、ブロックの直前に、最初のガイドの隣に2番目のガイドを追加します。これは光子がブロックされた経路から他方へトンネルできるほど十分に近い位置にあります。
そうすると、光子はこの他の導波路にトンネルし、そこに分布することになります。量子力学におけるトンネル過程とは、粒子のエネルギーが十分に高くなくても、バリアを通り抜けることが可能であることを意味します。
実験結果とボーム力学への挑戦
粒子が量子特性を持たなければ、トンネルは不可能でしょう。しかし、量子特性があれば可能性があります。この実験で答えたい質問は、光子がトンネルするときに何をするかということです。これは興味深い質問です。なぜなら、ボーム力学が予測を立てているからです。粒子はただそこに座っていて、基本的に速度はゼロだと言っています。
そこで彼らがこの実験で測定するのは、光子がトンネルした2番目の導波路がどのように満たされるかです。そして、光子が現れた点から広がることを発見しました。これは、光子がゼロ速度を持っていなかったことを意味します。つまり、彼らの結果はボーム力学の解釈と直接的に一致しませんが、もちろん標準的な量子力学とはきちんと整合しています。
実験結果の意味と限界
しかし、これは何を意味するのでしょうか。本当にボーム力学が間違っているということでしょうか。まあ、イエスでもありノーでもあります。これは、ボーム力学の粒子を、標準模型の粒子のように私たちが実際に観測する粒子と同一視することはできないということを意味します。しかし、ある意味で私たちはこれをすでに知っていました。
なぜなら、ボーム力学の粒子は点粒子だからです。そして私たちが測定する粒子は、そうではありません。それらは空間的な広がりを持っています。相互作用します。にじみます。中には政治でキャリアを積むものもあります。個人的には、なぜ人々が点粒子の理論を好むのか理解できませんでした。無限小のものが実在できるとは思えません。
とはいえ、この件で進歩することはないと思っていましたが、ここにいます！私のデタラメメーターでは10点満点中1点です。これは本当に巧妙な実験ですが、ボーム力学への関連性を少し誇張していると思います。つまり、ボーム粒子は私たちが測定する粒子と一致しません。これは、私の人生目標の多くと同じようなものだと思います：明確に定義され、内部的に一貫しており、そして完全に観測不可能です。
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