量子物理学について誰もが知っておくべき6つのこと

量子物理学は通常、最初から威圧的なものでしかありません。 毎日それを扱っている物理学者にとってさえ、それは奇妙で、直感に反しているように見えるかもしれません。 しかし、理解できないわけではありません。 量子物理学の本を読むなら、量子物理学に関する6つの重要な概念を覚えておくとよいでしょう。

Everything Is Made Of Waves; Also, Particles

この種の議論を始める場所はたくさんありますが、ここが最も良い場所です：宇宙のすべてのものは粒子と波の両方の性質を同時に持っています。 グレッグ・ベアのファンタジー二編（「無限協奏曲」と「蛇遣い座」）に、魔法の基本を説明する登場人物が、「すべては波であり、何も波立たず、まったく距離がない」と言う一節があります。 私はいつも、量子物理学の詩的な説明として、この言葉がとても気に入っています–心の底では、宇宙のすべては波の性質を持っているのです。 これは完全にクレイジーに見えますが、実験的な事実であり、驚くほど身近なプロセスで解決されます。

（TED-Edで行ったアニメーションのバージョンもあります）

もちろん、実際のオブジェクトを粒子と波の両方として記述することは必ずしも多少不正確なことです。 正しくは、量子物理学が記述する対象は粒子でも波でもなく、波の性質（特徴的な周波数と波長、空間への広がり）と粒子の性質（一般的に数えられる、ある程度局在化できる）を共有する第3のカテゴリーです。 このため、物理教育界では、物理学の入門コースで光を粒子として語ることが本当に適切かどうか、活発な議論が行われています。光に粒子としての性質があるかどうかについて論争があるわけではなく、光子を「量子場の励起」ではなく「粒子」と呼ぶと、学生の誤解を招く可能性があるというのがその理由です。 電子を「粒子」と呼ぶことについても同じような懸念があるため、私はこれに同意しない傾向にありますが、ブログの会話の信頼できるソースにはなります。

量子オブジェクトのこの「3番目の扉」の性質は、物理学者が量子現象について話すために使う、ときに紛らわしい言葉に反映されています。 ヒッグス粒子は粒子として大型ハドロン衝突型加速器で発見されましたが、物理学者が「ヒッグス場」を空間全体を満たす非局在化したものとして話すのを聞くこともあります。 これは、衝突型加速器実験のような状況では、ヒッグス場の励起を粒子的な特徴を強調する形で議論した方が都合がよく、一方、ある粒子になぜ質量があるのかという一般的な議論のような状況では、宇宙を満たす量子場との相互作用という形で物理を議論した方が都合がよいからです。

量子物理学は離散的

それは名前の通りです。「量子」という言葉は、「どのくらい」という意味のラテン語から来ており、量子モデルでは常に何かが不連続にやってくるという事実を反映しているのです。 量子場に含まれるエネルギーは、ある基本的なエネルギーの整数倍でやってきます。 光の場合、これは光の周波数と波長に関連しており、高周波で波長の短い光は大きな特性エネルギーを持ち、低周波で波長の長い光は小さな特性エネルギーを持ちます。

しかしどちらの場合も、特定の光の場に含まれる全エネルギーは、そのエネルギーの整数倍、1、2、14、137倍で、決して1/2、π、2の平方根といった奇妙な分数になることはありません。 この性質は、原子のエネルギー準位や固体のエネルギーバンドにも見られるもので、あるエネルギー値が許され、他のエネルギー値は許されない。 原子時計は量子物理学の離散性によって機能し、セシウムの許容される2つの状態間の遷移に伴う光の周波数を使って、先週話題になった「うるう秒」を必要とするレベルで時間を刻んでいるのである。

超精密分光法は、暗黒物質のようなものを探すためにも使用でき、低エネルギー基礎物理学研究所の動機の一部にもなっています。 しかし、数学を掘り下げれば、基礎となる現実には常に一種の粒状性があり、それが理論の奇妙さにつながる大きな部分なのです。

量子物理学は確率的

量子物理学の最も驚くべき、（少なくとも歴史的には）論争の的になっている点の1つは、量子系に対する1つの実験の結果を確実に予測することが不可能である、ということです。 物理学者がある実験の結果を予測するとき、その予測は常に特定の可能な結果のそれぞれを見つけるための確率の形をとり、理論と実験の比較は常に多くの繰り返される実験から確率分布を推測することを含んでいます。 波動関数を実際の物理的なものとして考える人たち（専門用語では「オンティック」理論、気の利いた人はその支持者を「サイ・オントロジスト」と呼んだ）と、波動関数を単に特定の量子オブジェクトの基本状態に関する我々の知識の表現（またはその欠如）として考える人たち（「エピステミック」理論）に分かれて、この関数は正確に何を表すのかという議論が多くなされているのである。

どちらのクラスの基礎モデルでも、ある結果を見つける確率は、波動関数によって直接与えられるのではなく、波動関数の2乗によって与えられます（大まかに言えば、とにかく、波動関数は複雑な数学的オブジェクト（負の1の平方根などの虚数を含む）であり、確率を求める演算はもう少し複雑ですが、基本概念を理解するには「波動関数の2乗」でよいのです）。 これは、最初にこれを提案したドイツの物理学者マックス・ボルン（1926年の論文の脚注）の名をとって「ボルン則」と呼ばれ、人によっては醜いアドホックな追加と感じるようである。 量子基礎学会の一部では、より基本的な原理からボルン則を導き出す方法を見つけようとする努力が続けられていますが、現在までのところ、どれも完全には成功していません。 私たちが予測できるのは確率だけであり、特定の結果を決定する測定の前には、測定されるシステムは、数学的には異なる確率を持つすべての可能性の重ね合わせに対応する不確定な状態にあるのです。 これをシステムが本当に一度にすべての状態にあると考えるか、あるいは単に1つの未知の状態にあると考えるかは、オンティックモデルとエピステミックモデルについての考え方に大きく依存しますが、これらは両方ともリストの次の項目からの制約を受けます。 (Credit: IQOQI/Vienna)

アインシュタインが物理学に対して行った最後の大きな貢献は、そのほとんどが彼が間違っていたため、広くそのように認識されることはありませんでした。 アインシュタインは、後輩のボリス・ポドルスキーとネイサン・ローゼンとの 1935 年の論文 (「EPR論文」) で、以前から彼を悩ませていた何か、現在我々が「もつれ」と呼んでいる考えについて、明確な数学的記述を行いました。 このことは、一方の測定結果を他方の測定場所に光速より速い速度で伝達する必要があるため、測定結果が何らかの共通の要因によって事前に決定されていなければならないことを意味すると主張した。 したがって、量子力学は不完全であり、より深い理論（「局所的な隠れた変数」理論、特定の測定の結果は、信号が光速で移動できるよりも測定位置から遠いものには依存せず、もつれたペアの両方のシステムに共通の何らかの要因（「隠れた変数」）により決定されるもの）への単なる近似に過ぎないのでしょう。

このことは、約30年間、検証のしようがないように思われ、奇妙な脚色とみなされていましたが、1960年代半ばにアイルランドの物理学者ジョン・ベルがEPR論文の結果をより詳細に調べました。 これは1970年代半ばにジョン・クラウザーによって実験的に検証され、1980年代初頭のアラン・アスペクトによる一連の実験によって、これらのもつれた系はいかなる局所的隠れた変数理論によっても説明できないことが決定的になったと広く考えられています。

この結果を理解するための最も一般的なアプローチは、量子力学は非局所的であり、特定の場所で行われた測定の結果は、光速で動く信号では説明できない方法で、遠くの物体の性質に依存することができると言うことです。 しかし、光速を超える速度で情報を送ることはできない。しかし、量子非局所性を利用してそれを可能にしようとする試みは数多くなされている。 詳しくは、カイザー著『ヒッピーはいかにして物理学を救ったか』をご覧ください。 量子非局所性は、蒸発するブラックホールにおける情報の問題や、最近盛んに議論されている「ファイアウォール」論争にも中心的な役割を果たしている。 EPR 論文で説明されたもつれた粒子とワームホールの間の数学的な関連性を含む、いくつかの過激なアイデアさえあります。 (Credit: Stodolna et al. Phys. Rev…. Lett.)

量子物理学は、その予測が我々の日常経験（少なくとも、人間にとってですが、私の本のコンセプトは、犬にとってそれほど奇妙には見えないことです）と劇的に異なるため、奇妙だという評判が立っています。 これは、物体が大きくなるにつれて、関係する効果が小さくなるためです。もし、量子的な振る舞いを明確に見たいのであれば、基本的に粒子が波のように振る舞うのを見たいのであって、運動量が大きくなると波長は短くなります。 部屋の中を歩いている犬のような巨視的な物体の波長は、とんでもなく小さいので、部屋の中の単一の原子が太陽系全体の大きさになるようにすべてを拡大すると、犬の波長はその太陽系内の単一の原子の大きさ程度になります。 しかし、量子効果を示す系のサイズをもっと大きくしようとする努力は、さまざまな分野で盛んに行われています。 Markus Arndtのグループが行った、より大きな分子で波動的な振る舞いを示す実験については、何度もブログに書いています。また、「キャビティ・オプトメカニクス」のグループでは、光を使ってシリコンの塊の動きを遅くし、その動きの離散量子性が明らかになるところまで持っていこうとしています。 数グラムの質量を持つ吊り下げられた鏡でこれを行うことが可能かもしれないという提案もあり、これは驚くほどクールなことです。

Quantum Physics Is Not Magic

前のポイントは、ごく自然にこのポイントにつながります：奇妙に見えるかもしれませんが、量子物理学は魔法ではないことを最も強調しています。 量子物理学が予測するものは、日常的な物理学の基準からすると奇妙ですが、よく理解された数学的ルールと原理によって厳密に制約されています。

ですから、誰かが「量子」アイデアを持ち出して、フリーエネルギー、神秘的な治癒力、不可能な宇宙ドライブなど、あまりにも良すぎると思った場合、ほぼ確実にそうなのです。 しかし、それらは、熱力学の法則と基本的な常識の範囲内にとどまっています。 私はおそらくいくつかのことを省いてしまったか、あるいはすべての人を満足させるには不十分な正確さを持った発言をしてしまいましたが、これは少なくともさらなる議論のための有用な出発点として役立つはずです。