投稿者: 彼の考えは、量子力学の根幹をなす考え方、すなわち事象は真にランダムであるという考え方に異議を唱えるものだ。
量子力学――20世紀初頭に誕生し、最小スケールにおける粒子の奇妙な振る舞いを記述する理論――の誕生以来、ランダム性という概念は物理学においてほとんど神話的な地位を占めるようになった。原子の周りを飛び交う電子や光子検出器に当たる光波といったミクロの世界では、確率の法則に従って結果はランダムである。しかし、一部の科学者は、量子力学は不完全であると主張する。なぜなら、事象は結局のところ完全にランダムではないという根本的な真実が欠けているからだ。時を経て、この考えは物理学の枠を超え、より広範な直感へと発展した。それは、一見ランダムに見える事象の結果でさえ、根底にある根本的な構造によって決定されるという直感である。
そして、もしそのような不確実性が現実の中核にあるとすれば、これらの法則は物理現象に影響を与えるだけでなく、人生における良いことも悪いことも含めたあらゆる偶発的な出来事にも影響を与える可能性があるということになるだろう。
オックスフォード大学の気候物理学の王立協会研究教授であるティモシー・パーマー博士は、根本的な問題は現実そのものではなく、現実を記述するために用いられる数学にあると考えている。現在、王立協会紀要で査読中の関連論文の中で、彼は単純ながらも斬新なことを述べている。それは、量子論によって数学的に可能なすべての状態が、現実世界に実際に存在するわけではないというものだ。
数学そのものを見てみましょう。素粒子の世界の理論は、物理学者が連続体と呼ぶものに基づいています。連続体とは、隙間なく滑らかに広がる数値の集合で、任意の2点間を無限に伸びています。その世界には、あらゆる円を定義する無限の比率であるπや、正方形の対角線の長さで決して正確に書き表せない√2のような数値が含まれます。
パーマーは、現実を説明するためにこのような連続体を用いる考え方に異議を唱えている。
その代わりに、彼は理論から連続体を取り除き、物理的に実在するものを限定することを提案する。「自然は連続体を嫌う」と彼は言う。言い換えれば、観測可能な宇宙は実際には無限に正確な数値を必要としない。それらは自然界には存在しない可能性を追加するだけだ。
こうした直感はパーマーに限ったものではない。一部の物理学者は、主流の量子力学で用いられる連続的な数学が、物事の本質そのものを反映しているのか、それとも単にそれを記述する限界を示しているだけなのか、長年疑問を抱いてきた。量子論の基礎に関する研究で知られるノーベル賞受賞物理学者ジェラルド・ト・フーフトは、量子的な振る舞いは表面上は無秩序に見えても、より深い決定論的な規則から生じる可能性があると主張している。一方、量子重力研究の第一人者であるカルロ・ロヴェッリは、存在の構造が最下層で有限の単位に分割される可能性があるという考えを探求してきた。
パーマー氏の特筆すべき点は、その考えをどこまで推し進めているかという点にある。3月に発表した論文の中で、彼は単に連続性そのものに疑問を呈するだけでなく、そうした仮説的な「もしも」のシナリオの中には、そもそも存在しないものもあると述べている。それらを取り除けば、一見奇妙に見えるものの多くが解消され始める。観察されるまで生きている状態と死んでいる状態の重ね合わせ状態にある猫という有名な思考実験であるシュレーディンガーの猫でさえ、もはや両方の状態を同時に占めることはない、と彼は言う。
同じ論理はランダム性にも当てはまります。標準的な量子モデルでは、粒子は固定された軌道を持っていません。代わりに、理論は確率を割り当てます。ある結果になる確率が80％、別の結果になる確率が20％といった具合です。実験を何度も繰り返せば、これらの数値は一致します。しかし、個々の事象――この電子、あの瞬間――については、理論はそれ以上の深い説明を提供しません。なぜこの結果で、他の結果ではないのか？それは説明されないのです。
「一見完全にランダムに見える結果にも、何らかの理由があるかもしれない」とパーマーは言う。彼の見解では、「世界は実際には決定論的だ…ランダムに見えるが、実際はランダムではない」。私たちが偶然と解釈するものは、実は私たちがまだ気づいていない根本的な構造を反映しているのかもしれない。
何かが厳格な規則に従っているにもかかわらず、まるでサイコロを振ったかのように見えるという考えは、逆説的に聞こえるかもしれないが、物理学ではこのような錯覚が以前にも見られたことがある。
では、あなたが期待する特定の成果を得られる可能性はどうなるのでしょうか？
この時点で、パーマーは具体的な答えを示すことを控え、自身の目標は憶測ではなく、検証可能な理論を構築することだと強調する。彼は、私たちがランダムだと認識しているものが、より深い構造を反映している可能性を残しているが、その構造がどのようなものかについては明言を避けている。
他の科学者たちは、隠された構造という概念をさらに深く研究してきた。20世紀の物理学者デヴィッド・ボームは、量子力学に代わる完全に決定論的な理論を構築した。この理論では、粒子は隠された情報を運ぶ目に見えない「パイロット波」によって導かれ、正確な経路に沿って移動する。
しかし、ノイズの下に隠された秩序が存在するという考えを受け入れる人々全員が、その秩序がどのようなものかについて意見が一致しているわけではない。量子論の基礎に関する研究で知られる理論物理学者であり科学コミュニケーターでもあるサビーネ・ホッセンフェルダー博士も、量子力学が物理学における究極の答えを提供するとは限らない可能性を考えている。
彼女の見解では、この理論は彼女が言うところの「個々の事例ではなく、集合体」を記述している可能性がある。そして、それは「量子力学が統計理論、つまり平均値の理論であることを強く示唆している」と彼女は述べている。
ホッセンフェルダーは、細部においてはパーマーと意見を異にするものの、重要な一点については同意している。それは、現実は偶然ではなく、因果関係によって成り立っているということだ。彼女はまた、パーマーのモデルでは、事象が馴染みのある空間で起こるとは全く説明されていない点にも言及し、これを「非局所的」と呼んでいる。そして、最終的に彼女がパーマーと意見を一致させるのは、まさにこの点だ。粒子や確率の最終状態を形作る舞台裏の構造は、量子論が示唆するよりも偶然の余地が少ないというのである。
何かが厳格な規則に従っているにもかかわらず、まるでサイコロを振ったかのように見えるという考えは、逆説的に聞こえるかもしれないが、物理学ではこのような錯覚が以前にも見られたことがある。
パルマーが数十年にわたり研究してきたカオス理論では、システムは厳密な法則に従って進化するにもかかわらず、気まぐれな振る舞いを見せる。天気はその究極の例だ。天気は方程式によって支配されているにもかかわらず、ある一定の期間を超えて予測することは不可能である。結果の不確実性は偶然から生じるのではなく、初期の大気条件に対する極めて高い感度から生じる。温度、気圧、風速のわずかな違いが時間とともに増幅し、最終的に結果全体を大きく変えてしまう可能性があるのだ。
量子力学は、同様のダイナミクスを人知れず隠している可能性がある。ランダムに見えるものは、実は私たちが追跡できる範囲の限界を示しているだけで、根底にある秩序の欠如を示しているわけではないのかもしれない。パーマーが述べているように、量子論は確率しか提供しないため、なぜ特定の事象が特定の状況で発生するのかという問いに「答えられない」のだ。
彼は、量子コンピューターを用いることで、量子力学が完全な枠組みであるかどうかを検証できると考えている。彼の理論が疑問視するまさにその不確実性を利用するように設計されたこれらの機械は、その証明を提供できる可能性がある。
原理的には、これらのデバイスは、ページいっぱいに数字を書き連ねるほどの巨大な数の素因数分解（現代の暗号化の基礎）といったタスクにおいて、従来のコンピュータを凌駕する性能を発揮するはずです。量子コンピュータは、0と1の組み合わせで同時に存在できる量子ビットに依存しており、これにより多くの潜在的な解を同時に探索することが可能になります。コンピュータが利用する量子ビットの数が増えるほど、その優位性は大きくなるはずです。
しかし、パーマー氏はその優位性はいずれ崩れると予想している。彼の予測では、ある一定の規模に達すると、量子コンピュータは理論の予測通りに動作しなくなる。なぜなら、数学的に可能なすべての量子状態（連続体）が存在しない場合、量子コンピュータは必要な範囲全体にアクセスできないからだ。もし主流科学の予想通りにコンピュータの性能が向上し続けるなら、彼の考えは崩壊するだろう。しかし、もしそうならなかった場合、つまり今後数年間で本来あるべき性能向上が停滞した場合、それは量子構造よりも深い何かが作用していることを示唆するかもしれない。
ホッセンフェルダー氏は、パーマー氏の予測に依然として懐疑的だ。量子コンピューターがパーマー氏が提唱する根本的な限界に達することが判明すれば、「過去100年間で物理学における最大のブレークスルーとなるだろう」と彼女は言う。しかし、パーマー氏の考えは微弱な重力の引力に依存しているため、自然がそれを実現するとは考えにくい。パーマー氏は、重力が量子状態の空間に微妙な「粒状性」、つまり量子状態をどれだけ細かく定義できるかという一種の限界をもたらすと述べている。この限界は、量子システムが実際にアクセスできる状態の数を制限する。しかし、ホッセンフェルダー氏自身の計算に基づくと、重力はそのような効果をもたらすには弱すぎるため、コンピューターはその限界に達することはないだろうと彼女は主張する。今のところ、次世代の量子コンピューターがパーマー氏の予測通りにスケールアップできないかどうかは、推測するしかない。
極小世界の物理学は、1世紀以上にわたりあらゆる実験的検証に耐え、科学における最も成功した理論の一つとしての地位を確立してきた。しかし、パーマーが提案する検証によってその成功に亀裂が生じるならば、その影響は甚大なものとなるだろう。
なぜなら、もし偶然が根本的なものではないとしたら、私たちが幸運と呼ぶもの――秩序と驚きの間に漂う魅惑的な概念――は、全く別のものになるかもしれないからだ。つまり、私たちがまだ発見していない構造の仮置きのようなものになるのかもしれない。
Reference : Bad Luck Isn’t Random—The Universe’s Hidden Rules May Be Controlling Your Reality, Oxford Physicist Claims
https://www.popularmechanics.com/science/a70952160/quantum-luck-hidden-rules/
