量子物理学における100年来の議論、すなわち波動関数が実在するのかという問題に、物理学者たちが量子コンピュータを用いて決着をつけたとする論文が発表された。波動関数は量子物理学において宇宙全体を含むあらゆるものを記述するために使用されるが、それが実際に宇宙の本質を表しているのか、それとも単なる知識の記述に過ぎないのかは長年の論争の的であった。新しい論文の著者らはPBR定理を用いた実験によってこの問題に答えを出したと主張しているが、実際には隠れた変数理論を完全に排除することはできておらず、また波動関数の「実在性」についての議論は定義の問題に深く関わっている。ニルス・ボーアのコペンハーゲン解釈における波動関数の意味と、PBR定理における分類が矛盾するという問題も指摘されており、結局のところ波動関数が実在するかどうかという問いは依然として未解決のままである。
量子の実在性をめぐる論争
物理学者たちが量子コンピュータを使って100年前からの論争に決着をつけたそうです。その論争とは、波動関数は実在するのかというものです。
波動関数は、文字通りすべてのもの、宇宙全体さえも記述するために量子物理学で使用されています。しかし、それを使って宇宙を記述できるからといって、それが宇宙の本当の姿であるとは限りません。ところが新しい論文の著者たちは、これこそが宇宙の本当の姿であることを示したと言っているのです。
どうやって?そしてそれは何を意味するのでしょうか?見ていきましょう。
量子力学における波動関数は、通常大きなΨ(プサイ)で表されますが、直接観測することはできません。私たちはそれを使って測定結果の確率を計算するだけです。波動関数は例えば、光子がスクリーン上のある場所に現れる確率が10%であることを教えてくれるかもしれません。
しかし波動関数だけでは、結果がどうなるかは分かりません。量子力学はそれを予測しないのです。根本的に決定論的ではないのです。
この予測不可能性を説明する一つの方法は、まあ、波動関数は単に詳細が欠けた平均的な記述に過ぎないのかもしれないと言うことです。これはサイコロを投げることについて話しているようなものです。サイコロがどんな位置にあったのか正確に知らなければ、できることは結果の確率を示すことだけです。
たとえ位置を正確に知っていたとしても、それは難しいことです。波動関数に欠けているこれらの詳細は、通常「隠れた変数」と呼ばれています。隠れた変数が存在する場合、波動関数は「認識論的」と呼ばれます。これは波動関数が現実についての私たちの知識を記述しているのであって、それ自体が実在するものではないという意味です。
New Scientistとのインタビューで、新しい論文の著者の一人は「認識論的解釈を排除できる」と述べました。もしそれが正しければ、それは大変なことです。
アインシュタインの懸念
アルベルト・アインシュタインは、測定で起こることのために、量子力学は不完全でありそのような隠れた変数を持つに違いないと考えていたことで有名です。
スクリーン上のある場所に現れる確率が10%だった光子のことを思い出してください。一度それを測定すれば、それがどこにあるかを100%の確率で知ることができます。その時、私たちは波動関数を「更新」しなければなりません。これは波動関数の崩壊または収縮と呼ばれることもあります。
もし波動関数が単に知識を記述しているだけだと考えるなら、それは理にかなっています。それは実際のプロセスではないのです。
もし波動関数が実在すると考えるなら、この更新は光より速いということになります。これがアインシュタインの言う「遠隔での不気味な作用」です。アインシュタインはそれは存在すべきではないと考えました。
新しい論文の著者たちは今、波動関数の根底に実在性があるのかという問題に決着をつけ、隠れた変数を排除したいと考えており、New Scientistが書いているように「波動関数が実在するものであることを明らかにした」としています。
PBR定理の実験
このために彼らはPBR定理と呼ばれるものを使用しています。これはPusey、Barrett、Rudolphにちなんで名付けられたものです。これは大まかに次のように機能する巧妙なアイデアです。
彼らは、量子力学の重要な特性は、確定的な測定結果を持たない状態を持つことができるということだと言います。そこで、例えば再び光子について、常にスクリーンの左側に行く状態Aの波動関数と、常に右に行く状態Bの波動関数があるとします。すると、適切な規格化を施した状態A+Bを作ることができ、それはどちらにも50-50で行きます。この状態は例えばビームスプリッターで作ることができます。
彼らは次に、隠れた変数理論では、このA+Bの波動関数は、Aのみの状態とBのみの状態の隠れた変数を含んでいなければならないと言います。つまり、根底にある理論では、A+BとAの間、そしてA+BとBの間に隠れた変数の重なりがなければならないのです。
問題は、量子物理学では2つの粒子の波動関数を見ることができ、それは個々の粒子の積になるということです。
PBR定理が意味するところは、適切な係数を持つ状態Aと状態A+Bの例があり、そこでは量子力学的測定が結果ゼロを与える必要があるのに、それを機能させる隠れた変数の選択肢がないということです。
これこそが彼らが新しい実験で行ったことです。
彼らは量子コンピュータ上でそれを行い、正確なPBRプロトコルをエンコードしました。そして案の定、それは量子力学が予測する結果を与えました。
実験結果の解釈
さて、素晴らしい、誰もそんなことが起こるとは予想できませんでしたね。しかしこれで波動関数が実在することが示されたのでしょうか?答えは2つの別々の理由でノーです。
一つは、このテストでは隠れた変数を排除できないということです。PBR定理は、A+Bのような状態の隠れた変数は、AとBの隠れた変数の組み合わせでなければならないと言っていることを思い出してください。これがそうである理由はありません。
隠れた変数理論で状態Aを数字の1で記述するとしましょう。隠れた変数の値が1の時はいつでも、粒子は左に行きます。値が2の時は、粒子は右に行きます。そしてA+Bの時は3と4です。彼らのテストではこれを排除できません。
PBR定理のもう一つの問題は、波動関数の実在性について私たちに教えてくれることが大いに誇張されているということです。
物理学者たちは量子物理学の初期の頃から、波動関数が何を意味するのかについて議論してきました。
コペンハーゲン解釈との矛盾
「コペンハーゲン解釈」の父とされることが多いニルス・ボーアは、波動関数は実在しない、むしろシステムについての私たちの知識を記述する方法だと主張していました。これこそがプサイ認識論的が意味することです。
しかしPBR定理の観点から言えば、コペンハーゲン解釈は隠れた変数を持たないためプサイ存在論的なのです。つまり、ニルス・ボーアが解釈全体の中心としたものとは全く正反対なのです。
これは最終的には定義の問題ですが、物理学者が好きなように言葉を再定義しても議論は進まないと私は思います。
それでも、私はこの論文にブルシットメーターで0点満点中0点を与えます。なぜなら論文では彼らは非常に慎重だからです。
彼らは隠れた変数を排除したとも、波動関数が認識論的であることを排除したとも主張していません。ただ、彼らがNew Scientistに話したことは…何か別のものでした。
要約すると、波動関数が実在するかどうかは依然として分かりません。そしてそれはそれで良いのです。なぜなら、もし私たちが最終的に量子力学を理解できたとしたら、それは悲劇的だからです。多くの人が趣味を失ってしまうでしょう。
では失礼して、私は量子力学の革命的な再解釈に取り組むことにします。
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