ベル不等式の破れと局所実在性の否定についてなるべくわかりやすく説明

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1. そもそも「局所実在性」とは?

「局所実在性」とは、ざっくり言うと次の2つを含む考え方です。

実在性:「モノは観測しなくてもそこにある」

例:リンゴがテーブルの上に置いてあれば、誰も見ていなくてもそこにあるはず。

局所性:「遠くにあるものは直接影響しない」

例:Aさんが東京でボールを蹴ったとしても、それが同時にニューヨークにあるボールの動きに影響を与えることはないはず。

この考え方は、私たちが普段感じる「常識」に合っています。

量子力学の不思議な世界

しかし、量子力学では「量子もつれ(エンタングルメント)」という不思議な現象が起こります。

例えば、次のような状況を考えてみましょう。

ある方法で2つの電子(AとB)を「もつれた状態」にする。

もつれた電子は、たとえ宇宙の反対側に離れても、お互いに不思議な関係を持ち続ける。

A電子の性質を観測すると、B電子の性質が「同時に」決まる。

これが「量子もつれ」の基本です。

普通に考えると、「Aを測定した瞬間にBの状態が決まるのはおかしい!」と思いますよね。

 

3. ベル不等式とは?

アインシュタインは「量子もつれなんて奇妙すぎる。きっと何か隠れた情報があるはずだ」と考えました。

そこで、1964年に物理学者ジョン・ベルが

「もし局所実在性が正しければ、観測データはこの範囲内に収まるはずだ」

という数式(ベル不等式)を考えました。

しかし、その後の実験で 「ベル不等式は破れている!」 ことが確認されました。

つまり、「局所実在性の考えでは説明できない現象が実際に起こっている」 ということです。

では、どういうこと?

ベル不等式が破れるということは、次のどちらかが正しくなります。

☆実在性をあきらめる:「観測するまではモノは確定して存在していない」

例:テーブルの上のリンゴは、人が見るまではそこにあるとは言えない!

☆局所性をあきらめる:「遠く離れたもの同士が瞬時に影響し合う」

例:東京でボールを蹴った瞬間、ニューヨークのボールが影響を受ける!?

つまり、私たちが当たり前だと思っている

「モノはそこにある」

「遠くのものは直接影響しない」

のどちらか、あるいは両方が間違っていることになります。

2022年のノーベル賞受賞者たちの実験

2022年にノーベル物理学賞を受賞したアラン・アスペ、ジョン・クラウザー、アントン・ツァイリンガーは、量子もつれをより精密に測定する実験を行い、「ベル不等式の破れは確かに存在する!」 ことを証明しました。

つまり、「そこにモノがある」という考え方(実在性)が、少なくとも私たちの直感通りには成り立たない ことが確定しました。

A.普通の常識:「モノは観測しなくてもそこにあるし、遠くのもの同士は直接影響しない」

B.量子力学の世界:「観測するまでモノの状態は確定せず、遠く離れていても影響し合う」

実験の結果:B(量子力学の世界)のほうが正しいことが証明された

つまり、私たちが当たり前だと思っている「現実の見え方」が、量子の世界では通用しない ということです。

ちょっと不思議ですよね?

でも、これが今の物理学が示す「現実」なんです。

「実在しない」と言っても、「そこに何もない」という意味ではありません。もう少し詳しく説明しますね。

「実在しない」とは?

量子力学において「実在しない」というのは、「観測するまでは、その性質や状態が確定していない」 という意味です。

つまり、物質やエネルギーが物理的に「消えている」わけではなく、「どんな性質を持っているかが決まっていない」 ということです。

例:シュレーディンガーの猫

よく使われる例が「シュレーディンガーの猫」です。

箱の中に猫を入れ、量子のルールに従う仕掛けを用意する。

仕掛けによって、猫が「生きている状態」と「死んでいる状態」が量子的に重なり合う。

箱を開けて観測するまで、猫は生死どちらとも決まっていない(両方が重なった状態)。

これと同じように、量子の世界では「観測するまで、物質や粒子の状態が確定していない」という考え方をします。

「実在しない」は「物理的に存在しない」ではない

例えば、電子を1個だけ飛ばす実験を考えてみましょう。

電子は、飛んでいる間は「どこにあるか確定していない」状態になる。

しかし、観測すると「確かにどこかにある」ことがわかる。

この「観測するまでどこにあるかわからない」というのが、「実在しない」の意味に近いです。

でも、電子が物理的に消えたり、何もない真空になったりするわけではありません。

どういうことかまとめると

「実在しない」= 物質が物理的に消えてなくなる、という意味ではない。

観測するまで、モノの性質(位置・状態など)が確定していない、という意味。

観測すると、ちゃんと「そこにある」ことがわかる。

つまり、「物質やエネルギーが消えてなくなる」という話ではなく、「観測するまで、状態が曖昧で確定していない」 というのがポイントなんです。