量子力学は、これまで考案された科学理論の中で最も成功した理論であると同時に、全く意味不明な理論でもある。極小の世界を支配する奇妙な法則を解説する。
量子物理学を学んだ人なら誰でも経験する、日常の現実という心地よい家具が溶けていくような瞬間がある。粒子が同時に二つの場所に存在できること、何かを測定するとそれが変化すること、二つの物体が宇宙の彼方で「量子もつれ」を起こし、一方に触れると瞬時に他方にも影響が及ぶことを知る。そして、古典的な直観に忠実で、アンテロープを追跡したり落石を避けたりするために進化してきた脳は、それをどうしても受け入れようとしないのだ。
量子力学へようこそ。ここは、極めて微小な世界に関する科学であり、人類がこれまで語ってきた世界の物語の中でも、おそらく最も奇妙な物語と言えるでしょう。
物語は1900年頃に始まる。当時、物理学者たちはありふれた問題、すなわち高温の物体の色に深く悩まされていた。鍛冶場で加熱された金属が、最初は赤、次にオレンジ、そして白へと光ることは誰もが知っている。古典物理学はこの一連の現象が異なると予測し、さらに破滅的なことに、あらゆる高温の物体は紫外線領域で無限のエネルギーを放出すると予測した。この不条理な結論は、皮肉を込めて「紫外線破局」と呼ばれた。
マックス・プランクは、エネルギーは連続的ではなく、離散的な単位、すなわち量子として存在するという、画期的な考え方を提唱することでこの問題を解決した。光の半分の量子は、コインの半分が存在しないのと同じように、存在しない。当時、プランクはこれを単なる数学的なトリックだと考えていた。彼は自分が宇宙の謎を解き明かしたとは夢にも思っていなかったのだ。
量子とは何か？この言葉はラテン語に由来し、「どれくらい」という意味を持つ。物理学において、量子とはあらゆる物理量の最小単位である。光の量子は光子と呼ばれ、電気の量子は電子である。量子論の根本的な主張は、自然は滑らかで連続的ではなく、ピクセルで構成された写真のように粒状であるという点にある。
プランクの考えはさらに進んだ。光は塊として放出されるだけでなく、塊として伝わるのだと彼は主張した。この考えは光電効果（金属に光を当てると電子が放出される現象）を説明するものであり、彼にノーベル賞をもたらしたが、同時に彼自身の中で何十年にもわたる議論の種を蒔き、その議論は結局完全には解決されなかった。
物理学者たちがさらに深く探求していくにつれ、量子世界は日常生活とは全く異なる法則で動いていることが明らかになった。特に、4つの原理は私たちの直感を根底から覆すものだった。
これは波動と粒子の二重性に関する話です。電子、光子、さらには分子といったあらゆる粒子は、波動としても振る舞います。水面のさざ波のように、粒子同士が干渉し合うのです。「粒子」としての側面は、測定されたときに初めて完全に顕在化します。
測定前、粒子はあらゆる可能な状態に同時に存在している。電子のスピンは「上向き」でも「下向き」でもなく、観測されるまでは、幽霊のように両方の状態が重なり合っている。
2つの粒子は「量子もつれ」状態になり、その量子状態が連動する。一方の粒子を測定すれば、両者の距離に関係なく、もう一方の粒子の状態も瞬時に知ることができる。
ハイゼンベルクは、粒子の正確な位置と運動量を同時に知ることは不可能であることを示した。これは測定機器の限界ではなく、自然の摂理に内在する事実である。
中でも、重ね合わせは恐らく最も理解しにくい概念だろう。物理学者エルヴィン・シュレーディンガーは、その奇妙さを劇的に表現するために有名な思考実験を考案した。量子現象、例えば放射性原子の崩壊によって毒薬の入った小瓶が入った箱に猫を閉じ込めたと想像してみよう。箱を開けるまで、原子は重ね合わせの状態にある。つまり、崩壊した状態と崩壊していない状態が同時に存在する。量子力学の論理によれば、猫もまた、ある意味で同時に生きている状態と死んでいる状態にあるに違いない。
シュレーディンガーはこれを背理法として、量子力学を文字通りに解釈すると無意味な結果を生み出すことを示すために用いた。しかし、物理学者たちは恥じることなく、多くの物理学者は、これが自然の摂理であり、重ね合わせ状態が確定した状態に「崩壊」することこそが、測定、そしておそらくは意識が実際に行っていることだと、厳しい結論を下した。
【量子力学に全く戸惑わないなら、あなたは量子力学を理解していないということだ。】
粒子加速器に足を踏み入れたことのない人が、なぜこのようなことに関心を持つ必要があるのか、不思議に思う人もいるかもしれません。しかし、量子力学は物理学の難解な分野ではなく、現代文明の基盤なのです。トランジスタ、レーザー、MRIスキャナー、太陽電池パネル、そしておそらくあなたが今この文章を読んでいるLEDスクリーン。これらすべては量子効果に依存しています。半導体物理学は量子物理学です。化学、つまりあらゆる原子間のあらゆる結合は、量子力学の働きそのものです。
次のフロンティアは、さらに革新的なものとなるかもしれない。量子コンピュータは、重ね合わせと量子もつれを利用して、従来のコンピュータよりも指数関数的に高速な計算を実行する。量子暗号は、不確定性原理を用いて理論的に解読不可能なコードを作成する。つまり、盗聴者は測定行為によって必然的にメッセージを乱してしまうのだ。量子センサーは、重力波を検出したり、地球内部をマッピングしたり、GPSなしでナビゲーションを行ったりすることができる。
これらすべては何を意味するのだろうか？ここから話は一気に深まる。物理学者は量子力学を用いて驚異的な精度で計算を行うことができる。量子力学は科学において最も正確に検証された理論であり、予測の精度は10億分の1にも達する。しかし、その方程式が何を意味するのかについては、1世紀にわたる議論の末、いまだに激しい論争が続いている。
数十年にわたり主流であったコペンハーゲン解釈は、量子力学は単に結果の確率を記述するものであり、測定の合間に粒子が「実際に何をしているか」を問うことは無意味な問いであると主張する。多世界解釈は、あらゆる量子事象が現実を分岐させると示唆する。つまり、ある宇宙では猫は生きており、別の宇宙では死んでいるが、どちらも等しく現実である。パイロット波理論は、隠れた変数が粒子を特定の経路に沿って誘導すると提唱する。これらの解釈はいずれも、あらゆる実験予測について一致している。しかし、それぞれが現実について根本的に異なる像を示している。
明らかなのは、宇宙は、その最も根本的なレベルにおいて、空間を予測可能な動きをする小さな硬いビリヤードボールのような物体で構成されているわけではないということだ。宇宙は、もっと奇妙な何か――場、確率、量子もつれ――で構成されており、それがたまたま私たちが住むスケールにおいてのみ、テーブルやティーカップといった馴染み深い世界へと収束するのだ。量子世界は、現実の根底にあるというよりも、私たちが素朴に考えている「現実」が、常に有用な近似値であったことを明らかにしていると言えるだろう。
その近似はこれまで驚くほど役に立ってきた。しかし、宇宙はそもそも私たちにとって理解可能なものでなければならなかったわけではない。たとえこの不気味で、逆説的で、直感に反する形であっても、宇宙が私たちにとって理解可能なものであるという事実は、あらゆる謎の中でも最も深い謎の一つであり続けている。
量子力学は、1900年から1930年頃にかけて、プランク、ボーア、ハイゼンベルク、シュレーディンガー、ディラック、パウリ、ボルンをはじめとする多くの研究者の貢献によって発展した。その解釈をめぐる議論は、今日に至るまで物理学科や哲学専門誌で続いている。
スチュワート・ウォルトン、ロンドン
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