【本】量子革命（マンジット・クマール）感想・レビュー・解説
さて本書は、量子力学についての本である。物理について知らない人からすれば「？？？」という感じだろうけど、基本的に、今世の中に存在する電子機器は量子力学の恩恵なくしては存在しない、と言っておけば、量子力学の重要性は伝わるだろう。テレビもパソコンもレーザーも、量子力学なしには生まれなかったのだ。それぐらい、量子力学というのは重要で、20世紀の物理学の到達点の一つと言われている（もう一つが、アインシュタインの一般性相対性理論）。
さてしかし、そんな量子力学だが、とにかく悪名高い。「悪名高い」という表現が適切かどうか分からないが、量子力学を生み出したり関わってきた物理学者たちの言葉をたくさん引用してみるので、どんな感じなのか感覚で捉えてほしい。
【アインシュタインは後年、次のように述べた。「この理論のことを考えていると、すばらしく頭の良い偏執症患者が、支離滅裂な考えを寄せ集めて作った妄想体型のように思われるのです」】
【ヴェルナー・ハイゼンベルグが不確定性原理を発見する。その原理はあまりにも常識に反していたため、ドイツの生んだ神童ハイゼンベルグでさえも、はじめはどう解釈したものかわからず頭を抱えたほどだった】
【ノーベル賞を受賞したアメリカの物理学者、マレー・ゲルマンは、そんな状況を指して次のように述べた。量子力学は、「真に理解している者はひとりもいないにもかかわらず、使い方だけはわかっているという、謎めいて混乱した学問領域である」】
【量子論にはじめて出会った時にショックを受けない者に、量子論を理解できたはずがない（ニールス・ボーア）】
【アインシュタインは、黒体問題の解決案を提唱したプランクの論文が出るとすぐにそれを読み、のちにそのときの気持を次のように述べた。「まるで足もとの大地が下から引き抜かれてしまったかのように、確かな基礎はどこにも見えず、建設しようにも足場がなかった」】
【エーレンフェストはそれに続けて、「目標に到達するためには、この道を取るしかないというなら、わたしは物理学をやめなければなりません」と述べた】
【現在、物理学はまたしても滅茶苦茶だ。ともかくわたしには難し過ぎて、自分が映画の喜劇役者かなにかで、物理学のことなど聞いたこともないというのならよかったのにと思う（ヴォルフガング・パウリ）】
【もしもこの忌まわしい量子飛躍が本当にこれからも居座るなら、わたしは量子論にかかわったことを後悔するだろう（エルヴィン・シュレディンガー）】
ここに名前を挙げた物理学者たちは、その当時、いや、物理学の歴史全般を振り返ってみても、「天才」と呼んでしかるべき巨人たちばかりである。そんな巨人たちがそろいも揃って嫌悪感や戸惑いを示している。これらは、量子力学という学問が、アインシュタインとボーアという二人の巨人の激論を中心に発展していく過程における発言だが、アインシュタインの死後10年経た時点でも、こんな風に言われている。
【著名なアメリカの物理学者で、ノーベル賞受賞者でもあるリチャード・ファインマンは、アインシュタインの死後十年を経た1965年に、次のように述べた。「量子力学を理解している者は、ひとりもいないと言ってよいと思う」。コペンハーゲン解釈が、量子論の正統解釈として、あたかもローマ教皇から発布される教皇令のごとき権威を打ち立てると、ほとんどの物理学者は、ファインマンの次の忠告に素直に従った。「『こんなことがあっていいのか？』と考え続けるのはやめなさい―やめられるのならば。その問いへの答えは、誰も知らないのだから」】
物理学者たちは、「現実はどうなっているのか？」ということを、観察や実験や理論形成などによって捉えようとするプロフェッショナル集団である。そんな彼らが、「量子力学をちゃんと理解しようとするのは諦めよう、みんな！」という立場にいるというのだ。もはやこれは異常事態だろう。
そんな量子力学はどんな理論で、どのように生み出されていったのか。本書は、その長い長い歴史を描き出す非常に重厚な作品だ。本書について、全体の流れを簡潔にまとめるのは不可能なので、僕はここでは、「量子力学の形成にアインシュタインはどう関わったのか？」ということを中心に触れてみようと思う。
何故そうしようと思うのかという理由がある。量子力学の知識がちょっとある人（僕もそうだ）の一般的な印象として、「アインシュタインはコペンハーゲン解釈に負けた」という感じだと思う。コペンハーゲン解釈というのは、量子力学を主導した巨人の一人であるボーアが中心となって打ち立てたもの解釈で、アインシュタインは最後の最後までこのコペンハーゲン解釈に反対した。しかし、その後劇的な展開があって、実験によって、「アインシュタインの信念」が打ち砕かれることとなったのだ（しかしその時すでにアインシュタインは亡くなっていた）。アインシュタインは一般的に、「コペンハーゲン解釈に反対し続けた」「古典物理学に固執して新しい物理学を受け入れられなかった」という判定をされるのだけど、本書でのアインシュタインの描かれ方は違う。訳者である青木薫氏はあとがきでこんな風に書いている。
【今日では、コペンハーゲン解釈とはいったい何だったのか（コペンハーゲン解釈に関する解釈問題があると言われたりするほど、この解釈にはあいまいなところがあるのだ）、そしてアインシュタイン＝ボーア論争とは何だったのかが、改めて問い直され、それにともなってアインシュタインの名誉回復が進んでいるのである】
「アインシュタインの名誉回復」って、アインシュタインって凄い人なんじゃないの？と思う人もいるかもしれない。それについては、同じく青木薫のこんな文章を読めば理解できるだろう。
【さて、アインシュタインが最後まで量子力学を受け入れなかったことについては、ながらく次のような理解が広くゆきわたっていた。「かつては革命的な考えを次々と打ち出したアインシュタインも、年老いてひびの入った骨董品のようになり、新しい量子力学の考え方についてこられなくなった」と。わたしが大学に入った1970年代半ばにも、そんなアインシュタイン像が、いわが歴史の常識のようになっていた】
そんなわけで、アインシュタインに着目しながら量子力学の形成を見ていこう。
まず「量子」というものが何か説明しよう。水道をイメージしてもらえればいいと思う。水道の水をジャーっと出している状態は、「1つ、2つ、…」と数えられるようなものではないので、これは「量子」ではない。一方で、水道の水がポタポタと、一滴一滴水滴を落とすように落ちているとどうだろう。これは「1滴、2滴、…」と数えることが出来る。これが「量子」だ。現代人には、「量子」というのは「デジタル」だ、という方が伝わりやすいだろうか。
この「量子」という考え方を初めて導入したのが、プランクという人物だ。当時、「黒体問題」と呼ばれる難問があって、誰も解けなかったのだけど、プランクは、今まで連続した量だと誰もが当たり前のように思っていたものを、「いや待てよ、これを量子だと思えば問題は解決するんじゃね？」と考えたのだ。先程引用したように、プランクが「量子」という考え方で黒体問題を解き明かした時、アインシュタインは「足もとの大地が下から引き抜かれてしまったかのよう」に感じたのだ。それぐらい「量子」という捉え方は斬新だった。
しかしその後、アインシュタインも「量子」という考え方を導入することになる。それが「光量子」というものだ。「光」を「1粒1粒の粒子（量子）で出来ている」と捉えることで、これも当時の難問だった「光電効果」を見事に説明したのだ。
しかし、アインシュタインが「光量子」という考えを提示した当初、「光量子」の存在を信じていたのはアインシュタインただ一人だった。それから20年経ってもまだ、「光量子」を信じる者はほとんどいなかった。
何故か。
それは、「光は波である」という信頼できる実験が山のように存在していたからだ。確かに「光電効果」は「光を粒子（量子）と捉えること」で解決できるかもしれない。しかし、「光は波だ」という実験結果が山程存在する。波でもあり粒子でもある、なんてことはあり得ないはずだから、物理学者は皆、光は波だ、という考えを捨てられなかったのだ。実験によって光電効果を検証し、ノーベル賞を受賞したミリカンという物理学者でさえ、自分の実験結果を信じられなかったほどだ。
誰も「光量子」を信じていなかったというのは、アインシュタインのノーベル賞受賞理由にも現れている。アインシュタインは、「一般性相対性理論」で有名だが、実はノーベル賞の受賞は「光電効果」によってである。しかし、「光電効果」に対してアインシュタインにノーベル賞を受賞させることで、「ノーベル賞が光量子の存在にお墨付きを与えた」と思われることを危惧したようで、アインシュタインの受賞理由は「光電効果を説明する数式を発見したこと」という風に限定されていた。そんな風にアインシュタイン以外は、「光量子」という存在を疑問視し続けたのだ。後に量子力学の巨人としてコペンハーゲン解釈を死守するボーアも、「コンプトン効果」という「光量子」の実在を反論の余地なく支持する実験が行われた後でさえも、「光量子」の存在を信じなかったという。
さてそんな風に、「量子」という考え方を誰よりも早く先駆的に認めたアインシュタインだったが、アインシュタイン自身は光電効果の自身の説明に納得がいっていなかった。それは、光量子が放出される向きや時刻が完全に運任せ、つまり「確率」でしか記述できない、ということだった。アインシュタインは有名な言葉をいくつも残しているが、その内の一つが「神はサイコロを振らない」だ。アインシュタインは、「確率」による記述は「不十分」であり、より正確な記述が可能な理論があるはずだ、という信念を持っていた。そしてこの信念こそが、アインシュタインをして量子力学へ攻撃をさせたのである。
しかしその話に行く前に、量子力学がその後どう進展したのかを書こう。まず量子力学には大きな欠点があった。それは、量子の世界を記述する数式がないことだ。しかし、ハイゼンベルグとシュレディンガーという2人の天才が、別々に数式を発見した。
しかし、これがまた問題を引き起こす。
ハイゼンベルグは、「行列」という、当時の物理学者にはまだ広く知られていなかった道具を使って数式を作り上げた。一方シュレディンガーは、波動方程式と呼ばれるものを作り上げた。後にこの2つの数式は「同値」、つまり、同じものを別の側面から描いているだけだ、ということが分かった。つまり、ハイゼンベルグの数式で計算しても、シュレディンガーの数式で計算しても、同じ結果が出るのだ。
じゃあ良いじゃないか、と思うかもしれないが、そう話は簡単ではない。実はこの2つの数式、背景がまったく違うのだ。ハイゼンベルグの数式は、「粒子」に着目した式であり、一方のシュレディンガーの数式は「波」に着目した式なのだ。当時は、「粒子でもあり、波でもある」という見方は一般的ではなく（コペンハーゲン解釈はそういう捉え方をする）、ハイゼンベルグの数式（の解釈）が正しいのか、シュレディンガーの数式（の解釈）が正しいのかは、「粒子」なのか「波」なのかという非常に大きな問題を孕んでいたのだ。実際この2人は険悪だったようで、相手を罵倒しまくっていたという。
しかし、解釈はともかく、数式の扱いやすさでいえば、シュレディンガーの数式の方が群を抜いていた。なので物理学者は基本的に、シュレディンガーの数式を使って計算していた。しかしシュレディンガーは、その数式を計算した結果がなんであるのかを捉えることが出来なかった。
それを捉えたのが、ボルンという物理学者である。彼は、「シュレディンガーの数式を解いて出てくるのは、存在確率だ」というのだ。原子がある瞬間どこにいるのかという確率を示している、という解釈を提示したのだ。しかしこれに対してシュレディンガーは猛反発。その違和感を示すために、後に有名になる「シュレディンガーの猫」の喩えを持ち出すことになる（しかし本書によると、その原型を作ったのは実はアインシュタインだそうだ）
さて、量子力学にとってもう一つ決定的に重要な要素がある。それは、ハイゼンベルグが発見した「不確定性原理」である。これについては詳しく触れないが、「霧箱の軌道」という、量子力学における大問題を解決しようとして導き出したもので、「共役変数」という関係にある2つの物理量を同時に正確に測定することは出来ない、というものである。この「不確定性原理」を発見したことで、ハイゼンベルグはこういう結論に至ることになる。
【彼にとって、電子の位置や運動量を測定するための実験が行われなければ、はっきりした位置や、はっきりした運動量を持つ電子は、そもそも存在しないのだ。電子の位置を測定するという行為が、位置をもつ電子を生み出し、電子の運動量を測定するという行為が、運動量をもつ電子を生み出す。はっきりした「位置」や「運動量」をもつ電子という概念は、測定が行われるまでは意味をもたない、と彼は述べた】
そしてこの考え方こそが、後に「コペンハーゲン解釈」と呼ばれるようになる解釈のベースとなっている。
しかし、アインシュタインはこの解釈を忌み嫌った。
【アインシュタインの物理学の核心にあったのは、観測されるかどうかによらず、「そこ」にある実在へのゆるぎない信念だった。「月は、きみが見上げたときだけ存在するとでも言うのかね？」と、彼はその考えの愚かしさを印象づけようとしてアブラハム・パイスに言った。アインシュタインの思い描いた実在は局所的で、因果律にのっとった法則に支配されており、そんな法則を発見することが物理学者の仕事なのだった】
さて、整理しよう。一般的に、アインシュタインは量子力学に反対した、と言われているが、これはもう少し正確に描写しなければならない。アインシュタインは、量子力学を正しい理論だと考えていた。しかし完全ではないとも考えていたのだ。
そして、ボーアの「コペンハーゲン解釈」と、アインシュタインの信念の一番の差は、「実在」をどう捉えるかなのだ。
ボーアは、「観測するまで何も存在しない。観測する前にどうなっているかを問うことには意味がない。量子力学とは、観測結果を解釈するための理論なのであり、それ以上でもそれ以下でもない」と考えていた。
しかしアインシュタインは、「観測しようがしまいが原子はそこに存在しているはずだ。確かに量子力学は現象を説明するし、正確に予測もする。しかし量子力学は、実在については何も記述できない。それは、量子力学が不完全だからだ。きっとこの世界には、実在も描写できるより完全な理論が存在するはずだ」と考えていたのだ。
そしてこの両者の立場から、激しい知的バトルが繰り広げられることとなる。
さて、ここで、ごくごく当たり前の感覚で物事を捉えれば、アインシュタインの捉え方の方が正しい気がするだろう。ボーアの「観測するまで原子は存在しない」なんていう考え方は、なんか胡散臭い気がする。それよりアインシュタインの、「観測しようがしまいが原子は存在する。それが描写出来ないなら量子力学は不完全だ」という主張の方が正しい気がするだろう。
しかし、アインシュタイン＝ボーア論争が繰り広げられていた当時、「コペンハーゲン解釈」は圧倒的優位に立っていた。それには様々な理由があるのだけど、一番大きな理由は、マレー・ゲルマンのこの言葉に集約されるだろう。
【ニールス・ボーアが一世代の物理学者をまるごと洗脳して、問題はすでに解決したかのように思い込ませた】
それぐらい、ボーアというのは、量子力学の世界において圧倒的なカリスマ性を持っていたのだ。だから、「観測するまで原子は存在しない」なんていう、「ンなアホな！」というような解釈が、圧倒的多数を占めていたのだ。
そういう中で、アインシュタインとシュレディンガーは孤軍奮闘し、「コペンハーゲン解釈なんかありえねぇだろ！」と闘いに挑んでいた。アインシュタインは、その天才的な頭脳で、数々の思考実験を生み出し、ボーア陣営に揺さぶりを掛けていく。
アインシュタインの戦略には、実は2段階あった。
最初アインシュタインは、「ハイゼンベルグの不確定性原理」を攻撃することにした。「不確定性」が成り立たない、つまり、「共役変数の関係にある2つの物理量を同時に測ることが出来る実験」を多数考え出し、ボーア陣営に投げかけたのだ。しかしボーアはその度に、アインシュタインの論点に間違いがあることを指摘していった。
その内アインシュタインは、不確定性を攻撃する方針では無理だと判断し、今度は、「量子力学は不完全だ」ということを示そうとした。そして、それを示すために考案された有名な思考実験が、「EPR実験」である。これの詳細は説明しないが、アインシュタインによる実に巧みな設定によって、ボーア陣営にかつてない動揺を与えることになったのだ。
しかし、当時量子力学というのは、発展途上の分野であり、新しい研究はいくらでも出来た。そういう中で次第に、アインシュタインとボーアの論争は「関わってられない問題」と捉えられるようになる。何故なら、アインシュタインの解釈を採ろうが、ボーアの解釈を採ろうが、別に何も変わらないのだ。彼らは、「実在」という哲学的な命題について論じているのであって、それより量子力学の世界をもっと深く探索した方がいいじゃん、というような風潮になっていくのだ。
しかししかし、物語はここで終わらない。なんと、「実在」をめぐる哲学的な命題だと思われていたこの論争が、実験室で検証可能だ、ということが判明したのだ。最終的に大きな貢献をしたのはベルという物理学者だったが、発端はボームである。
ボームはマンハッタン計画を主導したオッペンハイマーとの関わりの中で、濡れ衣的な感じで悪評をつけられてしまい、ある意味やけっぱちになって、当時既に「老人たち（アインシュタインとボーアのこと）の論争」と思われていた問題に取り組むことになる。
アインシュタインのような、量子力学が不十分であるとする立場は、「隠れた変数理論」と呼ばれる。要するに、未だ見えない何らかの要素があって、目の前の現象が確率的にしか捉えられないけど、その隠れた要素が見つかれば確率的ではない捉え方が出来るはず、というものだ。
一方のコペンハーゲン解釈は、そうではない。隠れている要素は何もなく、観測するまでは何も存在しない、という立場だ。
実はこの「隠れた変数理論」は存在し得ない、という証明が、なされたことがあった。その証明を行ったのは、天才中の天才と言われたノイマンであり、多くの物理学者はノイマンの論文を読むことなしに、「あのノイマンが無理って言ってるなら無理なんだろう」と、「隠れた変数理論」を探すことを諦めていたのだ。
しかしボームはなんと、「隠れた変数理論」を作り出してしまった。そのことを論文で知ったベルは驚いた。そして、ノイマンの論文を読み、ノイマンが正しくない仮定を置いていることに気付いたのだ。
ボームもベルも、アインシュタイン的な、観測しようがしまいが実在する、という立場に傾倒していた。そこでベルは「隠れた変数理論」についてもう少し調べてみることにした。そしてその中で決定的に重要な事実を発見したのだ。
それが「ベルの不等式」と呼ばれるものだ。ベルは、「隠れた変数理論が正しい」か「隠れた変数理論が正しくないか」を実験で検証できることに気がついた。「ベルの不等式」と呼ばれるものが成り立てば、アインシュタイン的な立場、つまり「隠れた変数理論」が正しいということになる。一方で、「ベルの不等式」が成り立たなければ、「隠れた変数理論」が正しくないということになる。そしてこれを実験で確かめられるということを示したのだ。
そして実験は実際に行われ、なんとなんと、「ベルの不等式」が成り立たないことが示されたのだ。つまり、アインシュタインの信念が打ち砕かれ、「隠れた変数理論」が正しくないことが示されたのだ。
しかしだからと言って、「コペンハーゲン解釈」の正しさが証明されたわけではない。「ベルの不等式」の実験で分かることは、「隠れた変数理論が正しいかどうか」であり、アインシュタインが間違っていたことは示されたが、ボーアが正しいことを示すものではないのだ。「コペンハーゲン解釈」は、「隠れた変数理論ではない解釈の1つ」に過ぎず、「ベルの不等式」が成り立たないような解釈であれば、「コペンハーゲン解釈」以外の解釈にもまだ可能性はあるのだ。実際、1997年7月に、ケンブリッジ大学で開かれた量子物理学の会議で意見調査が行われた結果、
【新世代の物理学者たちが、量子力学の解釈問題という、頭の痛い問題をどのように見ているかが明らかになった。90.人の物理学者が回答したなかで、コペンハーゲン解釈に票を投じたのはわずか4名にすぎず、30名はエヴェレットの多世界解釈の現代版を選んだのである。考えさせられるのは、「上の選択肢のどれでもない、あるいは決心がつかない」という選択肢を選んだ者が、50名もいたことだ】
という状況になっているのだ。量子力学を解釈するというのは、まだまだまったく解決されていない、非常に難しい問題なのだ。
うん、とにかく、メチャクチャ面白かった！
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