新しい量子パラドックスは、その場合、現実についての私たちの考えが間違っていることが明らかになる

新しい思考実験は、量子物理学の基礎の世界を刺激し、物理学者に、量子理論の異なる解釈（多世界またはコペンハーゲン）が現実に関する一見合理的な仮定を放棄することを強制する方法を明らかにしました。

コインが頭と尾で同時に落下できない場合、物理学者は現実の性質についての単純な仮定を捨てる必要があります。



量子力学が成功した理論であると主張する人はいません。 彼女は、顕微鏡スケールで世界の性質について驚くほど正確な予測をします。 ほぼ100年間続いてきた議論は、彼女がオブジェクトの存在と現実について私たちに語ることに関係しています。 この質問への答えを与える多くの解釈があり、それぞれが現実の性質に関する特定の、しかし未確認の声明、つまり仮定を信じる必要があります。



新しい思考実験は、これらの仮定に挑戦し、量子物理学の基礎を揺るがします。 彼はもちろん、彼自身が奇妙です。 たとえば、最近の観測の記憶を消去できる測定が必要です。 人間ではこれは不可能であり、量子コンピューターはこのような奇妙な実験を行い、理論的には、量子物理学の異なる解釈の違いを見つけることができます。



「時折、激しい議論、反省、議論を生み出す仕事がありますが、これはまさにそのケースです」と、カリフォルニア州オレンジのチャップマン大学の量子物理学のスペシャリストであるマシュー・ライファーは述べています。 「この思考実験は、量子物理学の基礎にある奇妙なものの規範に追加されます。」



この実験は、スイス連邦工科大学のダニエラ・フラウヒガーとレナート・レナーによって開発されたもので、一見非常に妥当な一連の仮定が含まれています。 ただし、矛盾が発生するため、少なくとも1つの仮定が間違っていることが示唆されます。 誤った仮定を選択すると、量子世界の理解に影響を与え、量子力学が普遍的な理論ではなく、人間などの複雑なシステムに適用できない可能性を指摘します。



量子物理学は、量子世界で何が起こっているかを説明するために使用される方程式の解釈が異なることで有名です。 しかし、新しい思考実験では、すべての解釈がすぐに苦しみます。 それらはそれぞれ、1つまたは別の仮定と矛盾します。 現実の一貫した記述を求めて、まったく新しい何かを期待できますか？







量子理論は、光子、電子、原子、分子、さらには巨大分子のスケールでうまく機能します。 しかし、高分子のサイズをはるかに超えるシステムに適用できますか？ 「量子力学の大規模な適用性を実験的に確認したことはありません。大きなとは、ウイルスまたは小さな細胞の大きさを指します」と、レナーは述べました。 「特に、人のサイズのオブジェクトに適用されるのか、ブラックホールのサイズのオブジェクトに適用されるのかはわかりません。」



経験的証拠が不足しているにもかかわらず、物理学者は、量子力学を使用してすべてのスケールでシステムを記述することができると信じています-つまり、それは普遍的です。 この仮定をテストするために、フラウハイガーとレナーは独自の思考実験を思いつき、 1960年代にユージン・ウィグナーの研究を拡大しました 。 新しい実験は、量子の世界では二人が一見議論の余地のない結果、例えば、コインの落下について異論を唱えることを示しています。これは、量子現実に関する仮定に何かが欠けていることを示唆しています。



標準的な量子力学では、素粒子などの量子システムは、波動関数と呼ばれる数学的抽象化によって表されます。 物理学者は、粒子の波動関数の進化を時間で計算します。





1963年にノーベル物理学賞を受賞したハンガリー系のアメリカの物理学者兼数学者であるユージン・ウィグナーは、量子理論の発展における重要人物の1人です。



ただし、波動関数は、粒子の特性、たとえば位置などの正確な値を提供しません。 粒子の位置を知りたい場合でも、空間と時間の任意の瞬間における波動関数の値により、この場所で粒子を検出する確率のみを計算できます。 そして、この場所でそれを探す前に、波動関数は分布し、異なる場所で粒子を見つける異なる確率を割り当てます。 粒子は量子重畳であり、同時に多くの場所に存在すると言われています。



一般的な場合、量子システムは状態の重ね合わせになります。ここで、「状態」は他の特性、たとえば粒子のスピンも指します。 Frauchiger-Renerの思考実験は、重ね合わせている複雑な量子オブジェクト-おそらくは人々-を操作します。



実験には、アリス、アリスの友人、ボブ、ボブの友人の4人のキャラクターがいます。 アリスの友人は実験室にいて、量子システムの測定を行っています。アリスは外に立って、実験室などを監視しています。 ボブの友人は別の研究室にいて、ボブは彼と研究室を監督し、1つのシステムを検討します。



最初の研究室では、アリスの友人がコインを投げる実験の結果を測定します。コインを投げる実験は、ケースの3分の1でワシがコインを落とし、3分の2のケースで尾を落とします。 ワシが落ちた場合、アリスの友人はスピンを下向きにしてパーティクルを作成し、テールの場合、彼はパーティクルを重ね合わせて準備します。この場合、背中は同じ割合で上下に同時に向けられます。



アリスの友人はボブの友人に粒子を送り、彼は彼女のスピンを測定します。 結果に基づいて、ボブの友人は、アリスの友人がコインを投げた後に見たものを結論付けることができます。 たとえば、スピンが上向きの粒子を発見した場合、尾が落ちていることがわかります。







実験は続行されます。 アリスは友人と研究室の状態を測定し、それらを単一の量子システムとみなし、量子理論を使用して予測を行います。 ボブは友人と研究室で同じことをします。 最初の仮定：アクターは、量子力学を使用して、他の人が参加する複雑なシステムであっても、別のシステムを分析できます。 つまり、量子理論は普遍的であり、実験室全体（およびその中の科学者）を含む宇宙のすべてが量子力学のルールに従って機能します。



この仮定により、アリスは友人と実験室を1つのシステムと見なし、その内容を含む実験室全体を状態の重ね合わせにする特定の測定を行うことができます。 これは単純な測定ではなく、実験が奇妙になります。



このプロセスを理解する最も簡単な方法は、水平偏光と垂直偏光の重ね合わせで単一光子を調べることです。 偏光を測定し、それが垂直であることがわかったとします。 光子の偏光を測定し続けると、常に垂直になります。 しかし、垂直方向の光子を測定して、異なる方向、たとえば垂直から45度の方向に偏光しているかどうかを調べると、50％の確率と50％の確率があることがわかります。そうではないこと。 さて、垂直偏光光子と考えていたものの測定に戻ると、もはや垂直偏光ではなく、水平偏光を獲得している可能性があることがわかります。 45度の偏光測定により、光子は水平偏光と垂直偏光の重ね合わせに戻りました。



これはすべて単一の粒子でうまく機能し、そのような測定値は実際の実験で正常に確認されています。 しかし、思考実験では、フラウハイガーとレナーは複雑なシステムで同様のことをしたいと考えています。



実験のこの段階で、アリスの友人は、コインがワシまたは尾によってどのように落ちたかをすでに見ました。 しかし、アリスの複雑な測定により、彼女の友人を含む実験室は、ワシと尾の重ね合わせ状態になります。 そのような奇妙な状態では、アリスの友人にはこれ以上何も必要ありません。





スイスの研究所の物理学者であるレナート・レナーは、ダニエラ・フラウヒガーとのパラドックスを思い付きました。



しかし、アリスはまだ終わっていません。 結果は単純に「はい」または「いいえ」で表すことができる複雑な測定に基づいて、ボブの友人が行った測定の結果を知ることができます。 アリスがイエスを取得したとします。 量子力学を使用して、彼女はボブの友人が粒子が上向きに回転していることを見つけたため、アリスの友人は尾が落ちるのを見ました。



アリスによるこの観察は、量子理論の彼女の使用に関する別の仮定を必要とします。 彼女はこの結果を知っているだけでなく、ボブの友人がどのように量子論を使ってコイン投げの結果について彼の結論に至ったかを正確に知っています。 アリスもこの結論を出します。 一貫性の仮定は、量子理論を使用してさまざまな個人によって行われた予測が互いに矛盾しないことを示しています。



それまでの間、ボブは友人の研究室を量子の重ね合わせに配置することにより、同じ複雑な次元で研究室を利用することができます。 答えは再び「はい」または「いいえ」です。 ボブが「はい」になった場合、測定により、アリスの友人がコインにワシを見るはずだったと結論付けることができます。



アリスとボブが測定を行い、コイントスの結果に関する仮定を比較できることは明らかです。 しかし、ここでもう1つの仮定が使用されます：顔の測定でコインが尾を引いたと言う場合、反対の事実-ワシの損失-は真実ではありません。



これですべてが矛盾する準備ができました。 アリスは次元で「はい」になると、コインが尾を引いたと想定し、ボブが「はい」になると、コインがeagleで落ちたと想定します。 ほとんどの場合、アリスとボブは反対の結果を得る。 しかし、FrauhigerとRenerは、12人中1人のケースで、アリスとボブが同じケースで「はい」になることを示しました。その結果、アリスの友人がワシまたは尾を見た場合、彼らは同意しません。 「結果として、彼らは両方ともイベントについて話します、両方とも結果に自信がありますが、彼らの声明は反対です」とレナーは言いました。 -これは矛盾です。 これは、何かが間違っていることを示唆しています。」



これにより、フラウハイガーとレナーは、思考実験の根底にある3つの仮定のうちの1つが間違っていると述べることができました。







「そして、ここで科学は止まります。 「3つのうち1つが間違っていることを知っているだけで、どの1つが違反されているかを納得のいく形で証明することはできません。」 「それは解釈と好みの問題です。」



幸いなことに、 量子力学の解釈のキャリッジがあり、それらのほとんどすべてが測定時に波動関数に何が起こるかについて話します。 パーティクルの位置を取得します。 測定の前に、どこかでそれを見つける確率についてのみ話すことができます。 測定後、粒子は特定の位置を取ります。 コペンハーゲンの解釈では、測定により波動関数が崩壊し、測定前の位置などの粒子の特性について話すことはできません。 一部の物理学者は、コペンハーゲンの解釈では、測定の瞬間まで特性は実在しないと主張していると考えています。



この形式の「反リアリズム」は、現代の物理学者のように、アインシュタインにとって異質のものでした。 特にコペンハーゲンの解釈では、次元と見なすことができるものを正確に言っていないため、波動関数を崩壊させる次元の概念も同様です。 理論の別の解釈は、基本的には、現実的なアプローチ（量子システムが観測者と測定値から独立した特性を持つ場合）を提案するか、測定による崩壊を回避するか、その両方を同時に試みます。



たとえば、多世界解釈では、波面関数の進化を額面通りに受け取り、その崩壊を否定します。 コインの大量のトスがワシまたは尾のいずれかにつながる場合、多世界の場合、どちらか一方が発生し、ちょうど異なる世界で発生します。 その場合、実験の結果が1つあるという仮定は、コインが尾で落ちた場合、ワシで同時に落ちることはできないという破産になります。 世界的な解釈では、コイントスの結果は頭と尾の両方であるため、アリスとボブが時々反対の答えを得るという事実は矛盾ではありません。





量子論の普遍性の仮定は、複雑なシステムの量子関数が自発的に崩壊する解釈によって破られます。

解釈の仮定は、測定結果が観測者の視点に依存する量子ベイジアン主義などの解釈に違反しています。

反対の結果が不可能であるという仮定は、多世界解釈によって違反されます。



「2年前に私に尋ねたら、実験は単に多変量解釈がうまく機能することを示しているだけで、それを落とすだけでよいことを認めなければなりません」と測定は単一の結果を与えるという要件をレナーは言いました。



オックスフォード大学の理論物理学者David Deutschが同じ見解を保持しており、Arxiv.orgに出演したFrauhiger-Renerの研究について学びました 。 作品のそのバージョンでは、著者は多くの世界のシナリオに傾いていました（9月にネイチャーコミュニケーションでピアレビューおよび公開された最新バージョンの作品は、より不可知論的なアプローチを取ります）。 ドイツは、思考実験が依然として多世界解釈をサポートしていると考えています。 「彼は波動関数または単一の宇宙の崩壊でオプションを殺す可能性が高いと信じているが、それらはすでに死んでいる」と彼は言った。 「より大きな大砲で彼らを再び攻撃する意味がわからない。」







レナーは視点を変えました。 彼は、おそらく量子力学の普遍性の仮定は間違っていると信じています。



たとえば、この仮定は、いわゆる 自発的崩壊の理論-その名前が示唆するように-測定とは無関係に、波動関数の自発的ランダム崩壊。 これらのモデルは、粒子などの小さな量子システムがほぼ永久に重ね合わせられたままになることを保証しますが、システムがより大きくなると、自発的に古典的な状態に崩壊する可能性が高くなります。 測定は、崩壊したシステムの状態を単に検出します。



自発的な崩壊の理論では、量子力学は、しきい値より大きい質量を持つシステムに適用できません。 そして、これらのモデルはまだ経験的に検証されていませんが、誰もまだそれらを否定していません。



ジュネーブ大学のニコラス・ギジンは、フラウヒガー・レナーの実験の矛盾を解決する方法として、自然崩壊の理論を好みます。 「彼らの困難から抜け出す方法は次のとおりです。いいえ、ある時点で、重ね合わせの原理は機能しなくなります」と彼は言います。



量子理論の普遍的な適用可能性の仮定と測定の単一バージョンを遵守したい場合、一貫性から「量子理論を使用するさまざまなアクターの予測は互いに矛盾することはできません」という最後の仮定を放棄する必要があります。



ライファーは、フラウヒガー・レナーの実験をわずかに修正したバージョンを使用して、コペンハーゲンの理論が正しければ、この最後の仮定またはその変形を放棄する必要があることを示しました。 彼の分析では、これらの理論には共通の属性があります-それらは普遍的に適用可能で、反現実的です（つまり、測定前の位置などの量子システムの特定の特定の特性の欠如について話します）、そして完全です（理論が説明できない隠された現実はありません）。 これらの属性を与えられて、彼の研究は、与えられた次元が単一の結果を持たず、客観的にすべてのオブザーバーに当てはまると主張しています。 したがって、検出器がアリスの友人の研究室をクリックした場合、これは彼女にとって客観的な事実になりますが、実験室の外にいて量子理論を使用してすべてをシミュレートするアリスにとってはそうではありません。 測定結果は、観測者の視点に依存します。



「コペンハーゲンの視点をサポートしたい場合、最良の方法は、異なる視点のこのバージョンに切り替えることです」とLeifer氏は述べています。 彼は、量子ベイジアン主義やKBismなどのいくつかの解釈が、観測者に対する測定結果の主観的アプローチをすでに取っていることを指摘しています。



Renerは、この仮定を放棄すると、他の人が知っていることを知る俳優の能力が破壊されると考えています。 そのような理論は独身主義として単純に捨てられます。 事実の主観性の方向に移動する理論は、知識を伝達する方法を何らかの形で再定義し、2つの反対の制限を満たす必要があります。 Frauhiger-Rener実験で観察されたパラドックスを引き起こさない程度に弱くなければなりません。 しかし、彼は独裁主義で告発されないように十分に強くなければなりません。 これまでのところ、誰もが満足させる同様の理論を定式化できる人はいませんでした。







Frauhiger-Renerの実験は、3つの一見合理的な仮定の間で矛盾を生じさせます。カナダのペリメーター理論研究所のロブ・スペッケンスは、量子理論の異なる解釈がこれらの仮定にどのように違反するかを「非常に有用な演習」と説明しようとしています。



「この思考実験は、量子理論の解釈を公言する異なる陣営間の意見の違いを探る素晴らしいレンズです」とSpeckens氏は言いました。 -私は彼が実際に前に人々によってサポートされたオプションを排除したとは思わないが、彼は矛盾を避けるために様々な解釈キャンプが信じるべきことを正確に見つけた。彼はこれらの問題のいくつかに対する人々の態度を明確にするのを助けました。」



理論家が解釈を分離できないことを考えると、実験者は問題を明らかにすることを望んで、この思考実験をどのように実行するかについて考えています。しかし、実験では奇妙な要件が提起されるため、これは簡単な作業ではありません。たとえば、アリスが友人と研究室の特別な次元をとるとき、彼女は友人の脳を含むすべてを状態の重ね合わせに置きます。



数学的には、この複雑な測定は、最初にシステムの時間的発達を逆にすることに相当します。つまり、俳優の記憶が消去され、量子システム（測定した粒子）が元の状態に戻ります。ハワード・ワイズマンオーストラリアのグリフィス大学から。測定は簡単かもしれませんが、Gizinが非常に丁寧に指摘しているように、「彼の脳と記憶を含むキャラクターを反転させることは、実験の敏感な部分です。」



それにもかかわらず、Gizinは、おそらくいつか、この実験が複雑な量子コンピューターを使用して、研究所内のアクターとして実行できることを否定していません（アリスとボブの友人の役割を果たす）。原則として、量子コンピューターの一時的な開発は取り消すことができます。 1つの可能性は、量子コンピューターがより複雑になると同時に、そのような実験が標準量子力学の予測を再現することです。またはそうでないかもしれません。 「別の選択肢は、ある時点で、量子コンピューターの開発中に、重ね合わせの原理の限界にぶつかり、量子力学が普遍的ではないことを発見することです」とGizin氏は言いました。



ライファーは何か新しいことを提唱しています。 「量子力学の正しい解釈は上記のいずれにも似ていないと思う」と彼は言った。



彼は現在の状況を量子力学と比較し、アインシュタインの出現以前の彼の特別な相対性理論と比較します。実験者は、「発光性エーテル」の兆候を発見しませんでした。これは、光波がニュートン宇宙で伝播すると考えられた媒体です。アインシュタインは、エーテルは存在しないと主張しました。彼は空間と時間は変更可能であることを示しました。 「アインシュタイン以前は、空間と時間の構造が変わると考えることは不可能でした」とライファーは言いました。



彼は、量子力学は今や同様の状況にあると考えています。「世界がどのように構築されるべきかについて無条件の仮定をしている可能性がありますが、これは実際には間違っています」と彼は言いました。「それらを変更すると、仮定を変更すると、すべてが突然所定の位置に落ちます。」そう願っています。量子力学のすべての解釈について懐疑的な人は、このように推論する必要があります。そのような仮定にふさわしい候補者について教えてもらえますか？できれば、この理論に取り組みます。」