それがなければ、携帯電話で遊ぶことさえできません。

実際に量子力学に触れたことがあるかどうかに関わらず、多くの人は「疑問があるときは量子力学を使う」というフレーズを使って難しい問題について冗談を言います。実際、実際の量子力学には、皆さんも聞いたことがあるかもしれない「不確定性原理」などの「不確定性」も存在します。しかし、「不確定性原理」は誤った名称であり、この原理の性質について誤解を招くことになります。その正式名称は「不確定性原理」です。

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原則の提案説明

不確定性原理とは、粒子の位置と運動量を同時に決定することはできないことを意味します。位置が明確になればなるほど、どのくらいの速度で移動しているかは不確かになります。逆に言えば、速度が確実であればあるほど、位置は曖昧になります。さらに、この不確実性は定量化された特定の値であり、その場で作り上げられた哲学的概念ではありません。 「不確定性原理」という名前は間違っていると言いました。しかし、この誤った名称の意味から始めて不確定性原理を理解することは、多くの一般向け科学書（ホーキングの著作を含む）や大学の基礎物理学の授業では手っ取り早く簡単な方法であり、それはハイゼンベルクの当初の理解でもありました。ここから始めるのもいいかもしれません。粒子の状態を測定することを想像してください。測定する前は、暗い部屋に黒猫がいるのと同じように、何も分かりません。それがどこにあるかを知るには、光を当てる必要があります。

しかし、猫が弱いと、ライトを点灯すると光に吹き飛ばされてしまいます。そうなると、もともと飛んでいたのか、光に当たったのかは分かりません。したがって、観測対象に干渉しないように光のエネルギーを下げる必要があります。

光のエネルギーは明るさではなく周波数によって決まります。可視光線帯域では、光の色として現れます。紫色の光は緑色の光よりもエネルギーが高く、緑色の光は赤色の光よりもエネルギーが高くなります。これは直感に反するように思えるかもしれませんが、胸部X線写真について考えてみましょう。胸部X線写真に使用されるX線は実際には非常に弱いのですが、X線の周波数は非常に高く、紫外線よりも強力で、各光子のエネルギーは電離放射線のレベルにあります。過度にさらされると健康上の問題を引き起こす可能性があります。

話を元に戻すと、エネルギーを下げるということは光の周波数を下げることを意味します。例えば、元の照明が紫色の光であれば、それを赤色の光に変えると、このか弱い小さな黒猫はそれほど強く打たれることはなく、元の運動状態を知ることができます。しかし、赤色光に変更した後、新たな問題が発生しました。赤色光の波長が長すぎて、黒猫のサイズを超えてしまい、黒猫の周りを通過してしまうのです。あるいは、反射が起こったとしても、検出する位置は波長の範囲内であり、誤差はかなり大きくなります。

つまり、黒猫がどこにいるかは分からないか、黒猫の動きの状態は分からないかのどちらかです。一方の精度が上がると、もう一方の精度は下がり、「不確定性原理」が現れます。

この説明は比較的わかりやすいのですが、人間の技術的能力が不十分であるという印象を与えてしまいます。新しい方法を見つければ、観測対象を乱すことなくその状態を取得できる可能性があります。

実際、不確定性原理によれば、不確定性は粒子の固有の性質です。測定するか否かに関わらず、その位置と運動量を同時に決定することはできません。

「同時に判定できない」のではなく、「同時に判定できない」ことに注意してください。

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2つの単純な推論とその他の意味

かつて人々は、すべての粒子の状態を測定できれば、一連の物理法則に基づいて粒子の将来の状態を推測でき、世界の将来の進化が明らかになるだろうと考えていました。これには私たちの思考も含まれます。なぜなら、思考の物質的な基盤もニューロンの電気インパルスだからです。

しかし、不確定性原理は前提全体を直接否定します。粒子自体の状態は不確定なので、物理法則がいくらあっても役に立たない。量子力学の発展により、「白か黒かのどちらかではないが、白か黒かわからない」という状態そのものの不確実性など、より多くの事実が明らかになりました。その後、「白黒両方あり、一見してしか白か黒か判断できない」という重ね合わせ状態（量子状態測定のランダム性）に発展し、科学的決定論を行き詰まらせた。

純粋に古典的な観点から見た熱力学の第三法則: 絶対零度には到達できない。不確定性原理の観点から見ると、これは単純な推論でもあります。いわゆる絶対零度とは、物質を構成する分子や原子の位置が決定され、動かなくなることを意味します。これにより、各粒子の位置と運動状態が同時に決定されることになりますが、これは不確定性原理に違反するため、達成不可能です。

不確定性原理の提唱は、ソルベー会議におけるアインシュタインとボーアの論争、「シュレーディンガーの猫」、EPRパラドックス、アインシュタインを密かに支えたベルの不等式、そしてベルの不等式が無効であることが証明されたことなど、さらに有名な出来事を引き起こしました。 2022年のノーベル物理学賞は、この一連の結果であるベルの不等式を覆す実験を行った3人の科学者に授与された。

2022年ノーベル物理学賞。もつれ合った光子を使ってベルの不等式が成り立たないことを証明した。

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物理学の流行語に関する誤解

量子力学によって明らかにされた物質世界の基礎は、マクロ世界の現れとは大きく異なり、直感に反するものであるため、さまざまな疑問や誤解を招いてきました。これは正常です。量子力学の創始者であるアインシュタインとシュレーディンガーでさえ疑問を抱いていました。皆が疑うべきことは何でしょうか?

しかし、アインシュタインとシュレーディンガーの疑問については多くの誤解があります。多くの人は、この二人が量子力学に反対していると考えています。実際、彼らは量子力学そのものに反対しているのではなく、コペンハーゲン学派の量子現象の解釈に反対しているのです。つまり、量子力学の研究で見られる現象をマクロ世界の言語を使ってどのように説明するかということです。

前述の不確定性原理と同様に、「不確定性原理」についても説明すれば誰もが受け入れやすくなるでしょう。しかし、粒子自体が不確かだと言うと、数学を使って表現する必要があり、マクロの世界では具体的な類推は存在しません。

もう一つの誤解は、量子力学は「これは不確かだ、あれは不確かだ」という意味だということですが、それは違います。不確定性原理により粒子の状態を正確に測定することは不可能ですが、粒子の状態の確率分布とその進化のプロセスはシュレーディンガー方程式によって正確に決定できます。粒子は、あるべき場所に存在しますが、あるべきでない場所には決して存在しません。曖昧さは全くありません。ただ、観察して測定すると、ある確率分布に従ってランダムな結果が得られます。

量子力学はまさに直感に反するものであるがゆえに、アインシュタインをはじめとする物理学の巨匠たちによって厳しく精査されてきた。これは歴史上最も厳密に検討された理論ですが、（今のところ）本当に欠点がなく、その予測は実験によって一つ一つ確認されています。 「これは不確実だ、あれは不確実だ」という理論では、何の予測もできない可能性が高い。

私たちの生活に関係のある量子力学の例を 2 つ挙げてみましょう。1 つ目は半導体理論です。半導体エネルギーバンドの概念は量子力学の拡張です。もし量子力学が成り立たなかったり、正確な予測ができなかったりするなら、半導体物理学は不可能となり、この記事を読むために私たちが使っている携帯電話やコンピューターも存在しないでしょう。 2つ目は太陽が輝いていることです。アインシュタインの質量エネルギー方程式は、一つの側面しか明らかにしておらず、太陽の温度は水素の核融合に必要な温度からは程遠い低さです。シュレーディンガー方程式によって明らかにされるトンネル効果がなければ、太陽は輝くことができません。あるいは、核融合に必要な温度に達したとしても、現在のように極めて低い反応率を確保しながら反応が起こり、生産能力が堆肥のように安定している状態ではなく、核融合反応が水素爆弾の爆発のような状態となり、星全体が一瞬にして破壊される状態となるでしょう。

もう一つの誤解は、量子力学は「これは量子だ、あれは量子だ」という意味であり、すべてが一つずつ与えられ、不連続なデジタル世界であり、人々は「私たちは皆、巨大なオペレーティングシステムの中で生きているプログラムだ」と想像する、というものです。実際、一見不連続に見える量子の世界は、さまざまな連続方程式によって計算されており、確率分布の山と谷によって不連続に見えるだけなのです。

多くのメディアが量子力学の概念について言及する際、「二重スリット実験はどれほど恐ろしいのか？」「インテリジェントな量子通信が実現されようとしているのか？」「量子もつれをマスターすればテレポートも可能になる！」といった衝撃的な見出しを好んで使います。私たちは量子力学を普通の心で扱うべきです。ミクロの世界は世界全体の物質的基礎であり、量子力学の予測の範囲はマクロの世界にも及びます。私たちは、その素晴らしいパフォーマンスこそが世界のあるべき姿であると信じ、注意深く考えてみるのもいいでしょう。

「数学ではこのような自然な計算が可能なのに、マクロの世界との類推を描くのはなぜこんなに難しいのでしょうか？」

著者: 国立博物館、国家航天局などで作品が出版されている人気科学ライター、Qu Jiong。

レビュアー: 張文卓、Quantum CEO、中国科学技術大学の Micius チームの元研究員