【量子とは何か？】超解説！それはキクラゲである①

この頃たまに聞く、量子という概念。
いまさら聞けない！と言われる時代が来る前に…勉強していきませんか？
数学は使わないので、ご安心を。

この世界に起こる現象には、
二つのルールがあります。
古典物理学と、量子力学です。

古典物理学は、私たちが日常で使う、ごくありふれた「常識」です。光速は超えられないし、りんごは木から落ちる。

私たちの身体も無機物質も、この世の物質全ては、分子とそれを構成する原子で出来ています。気体となり、空中を飛び回る原子。ここまでが、古典物理で記述できる領域です。

しかし、原子が絶対零度付近の温度に下がった時や、原子の内部構造を説明しようとすると、その動きは古典物理学で記述することができません。

原子の内部や、超低温と超真空など特殊環境で原子に起こる物理現象を、説明するため生み出された理論を、量子力学と言います。原子、光子、電子などが量子の代表です。

不思議なことに、その領域においては結果に明確な原因がない場合があります。
因果という概念と、矛盾が起こるのです…

量子の性質

①これ以上分割できない

エネルギー（物理量）の最小単位、ということです。あなたが今見ている画面のピクセルも、拡大すれば一つの点です。その点を分割できないように、量子も分割できないのです。
少数点…つまり整数の「間」は存在しないのです。

②粒でもあり波でもある

空間に広がる実体のないキクラゲをイメージしてください。
平らな所もあれば、寄せた布のように厚みが出ているところもあるでしょう。まっ平らな所に粒子がある確率はゼロで、厚ければ厚いほど粒子がある確率が高くなります。

実体はないものの、波どうしは干渉するし、粒子が同時にふたつ以上の場所にあるような動きもするのです。（二重スリット実験）

矛盾するふたつの性質を併せ持ち、互いが補い合っており、どちらが欠けても成り立たない。これを量子の相補性といいます。

奇妙なことに、粒子そのものは振動しません。
では、そもそも何が振動しているのか？
…最大の謎です。分かればノーベル賞ものです。
量子重力理論に、候補がいくつかあるのみです。

③位置と状態は決まっていない（重ね合わせ）

さて、実体のないキクラゲ全体が、観測前の量子という訳になります。キクラゲの中に、粒子として何処に存在するのか？どんな性質を持っているのか？本当に、観測するまで何も決まっていないのです。

位置を決めれば、性質（運動量）は絶対に記述できず、性質を決めても同じことが起きます。（不確定性原理）

しかし、ここにある！と観測した瞬間、位置と状態が確定（波動関数の収縮）するのです。先程①の量子飛躍も、こうした外部との相互作用をきっかけに起こります。
これをどう見るべきか？

私は観測を「外部との相互作用」と定義しています。
外部は、古典物理の領域を指し、
相互作用は、接触し関係性を持つことです。

つまり、
「外部と関係性を持つこと」が鍵です。

超低温や超真空という環境は、原子が外部と相互作用を起こさないためのステージだという訳です。

次項の量子もつれでも相互作用が起きていますが、これは量子同士の相互作用（つまり内部の作用である）のため、状態は確定しません。

④ペアがある（量子もつれ）

量子は他の量子と接触して相互作用を起こすと、お互いをペアとして相関関係を持つようになります。
量子（ここでは電子）はスピン（回転している訳ではない）という生まれ持ったエネルギーの指向性を持っており、それはプラス、マイナスの二方向しかありません。ペアのそれぞれが、どちらかの方向になり、総和はゼロになります。（例外はありますが）

ここからが重要です。
方向は相互作用の時点では決まっておらず、どちらかの方向が確定した瞬間、もう片方も瞬時に確定するのです。

あろうことか、もう片方は「外部との相互作用なし」に状態が確定してしまいます。

これが、アインシュタインにとっての断じて受け入れがたい事実であり、同時に量子力学の一番面白く、真に迫る部分なのであります。

何に使えるのか？何を意味するのか？

自然界の基本ルール

私たちの目に見えない、感覚で捉えきれないものは、従来説明や分析が難しいものでしたが、量子的な物理現象を「そういうもの」として受け入れられれば（コペンハーゲン解釈）、簡潔な記述が可能になります。突き詰めれば、この世の全ては物理現象だからです。

因果に先立つもの

アインシュタインは、「神はサイコロを振らない」と言いました。自然界が、確率（不確定性）を前提としているなんてありえない。きっと私たちの見落としている「隠れた変数」があるはずだ。それが解明されれば、全ての事象は予測可能であり、因果に例外はないのだと。

量子の位置と状態は、本当はあらかじめ決まっているし、光速を無視する「もつれ」などという遠隔作用はありえない（局所実在論）のだと…。

しかし、アインシュタインの死後、ジョン・ベルによって、ベルの不等式が考案され、これが後にアラン・アスペら実験物理学者によって、自然界は確率を前提としていることが証明されるのです。

応用範囲が広い

量子力学的な挙動は、基本的にミクロな世界においてのみ適用されるものですが、私たちのマクロな世界に応用することもできます。

例えば、人間の意識。
無意識が量子概念だとすると、驚くほど我々の認識と噛み合います。

人間の心理として、好きと嫌いといった相反する感情が、同時に存在する事はごく自然に受け入れられています。（重ね合わせ）

また、「私は今こんな気持ちである」という認識は、自らの無意識を観測することによって確定します。（観測による状態の確定）

さらには、無意識は分割できず（多重人格は有意識の分割とする）、ユングの集合的無意識や、睡眠中の夢を人類の「無意識のもつれあい」と考えます。

あなたが何者であるかは、外部（他者）との関係性があって、初めて決まります。ここまでくると…

そう、人間の無意識は驚くほど量子なんです。
といった具合ですよ。

でも、こんなことは裏付けがある訳ではないし、線引きも難しいところです。やろうと思えば何にだって、こじつけられてしまいますから。あくまでフレームワークとして使うにとどめましょう。

コペンハーゲン解釈の押し付け

そもそもこの記事が、抽象概念の相補性をそのまま受け入れることを、読者に強いている部分があります。現象を「そういうもの」として受け入れるこの解釈を形作った、ニールス・ボーアはこう言いました。

先程も登場しましたが、
相補性とは「あちらを立てればこちらが立たず、しかしどちらも現実」くらいの解釈で大丈夫です。

言葉や表現を明確にしようとするほど、真実からは遠ざかり、その逆もまた然り、という訳なのです。

ボーアは、言語という概念には限界がある、と常々考えていました。造語を作ったり、既存の言葉を全く別の意味で使ったりして、抽象的で難解な言葉で周囲を困惑させたり、けむに巻くことがしばしばあったそうです…
彼が日本語を喋ったら、どう言語を組み立てるのでしょうね。

意味が分からない→正解

できるだけ最小限の情報量にしたつもりですが、意味が分からなくてモヤモヤする方が多いやもしれません。ですが、それでよいのです。こんな直感に反する現象、すんなり理解できなくて当然です。

なので気負わずに、色んな人たちの表現で、量子力学を勉強すると良いと思います。量子力学自体、ああでもないこうでもないと論争したり、実験をすることによって解明されてきたのですから。

アインシュタインは、重ね合わせやもつれを断固として拒絶しましたが、それはむしろ量子のふるまいを、誰よりも理解していたからこそだと思うのです。分かるからこそ、その不可解な奇妙さが信じられなかったのでしょう。

量子力学は、対象そのものよりも、対象が引き起こす現象を説明する理論です。対象そのものが一体何であるのか、なぜそうなるのかは、いまだ記述できませんし、量子力学の常識も、将来様変わりするかもしれません。

私も、多様な表現や切り口で、量子について執筆していくつもりです。ま～だまだ書き切れていませんからね。数学はからっきしですから、そっちの期待はしないでくださいね？

古典物理が量子力学の上に成り立っているのなら、境界は、どこからが「外部」なのか？そもそも、何処からがスタートなのか？陽子と中性子を構成するクォークからなのか？量子色力学？いや、量子重力理論、やはり時空の創発から考えなければ…

それでは、ボーアのように読者をけむに巻いたところで、今回は筆をおくことにします。解散！