あなたは「何かが深く隠されている」という本を書きました。それは量子力学の謎についての本で、近日中に「最大のアイデアズ」シリーズの一部として「量子と場」という新しい本が出版されます。量子力学に焦点を当てているんですね。まず大きな質問ですが、宇宙最大のアイデアとして、量子力学について何が最も美しいと思いますか?あるいは最も神秘的だと思いますか?
量子力学はもう少し難しいですね。私は一般相対性理論のテキストを書いて、「一般相対性理論は今までに発明された中で最も美しい物理理論だ」と書き始めました。私はそれを支持します。量子力学ほど根本的ではありませんが、量子力学はもう少し神秘的です。
現時点では少しごちゃごちゃしていますよね。学生に量子力学を教える時のコペンハーゲン解釈のことを考えてみてください。神のような恐ろしい混乱ですよね。誰もそれがとても美しいとは言わないでしょう。私は量子力学の多世界解釈を支持しています。それはとてもシンプルな要素だけで、ひとつの方程式ですべてを網羅できるという意味で、とても美しいです。美しさの意味によりますが、量子力学は非常に簡素で小さな要素から始まり、原理的に世界のすべてにつながるというのが、私の心を驚かせます。
一般相対性理論は重力について扱っていて素晴らしいですが、量子力学はすべてのことを扱っていて、その役目を果たしているように見えます。それが美しいかどうかはわかりませんが、確かに印象的です。
理論の予測力、そして理論が私たちの周りにあるすべてのものを作り出している小さなものを記述しているという事実、その両方において量子力学は単一の理論です。
古典力学では、ここに1つの粒子、そこに1つの粒子があり、別々に記述します。この粒子が何をしているか、その粒子が何をしているかを教えることができます。量子力学では、アインシュタインが1935年に指摘したように、もつれ合いがあります。つまり、この2つの粒子に対して単一の状態があるのです。この粒子に1つの状態、その粒子に1つの状態があるのではありません。
そして実際、宇宙全体に対して「宇宙の波動関数」と呼ばれる単一の状態があり、それは1つの方程式に従い、テーブルや椅子などのものをそこから切り出して理解するのが私たちの仕事なのです。
あなたは多世界解釈について言及しました。それは実際に美しいですが、あなたのより議論の余地のあることの1つですよね。そのことであなたはおそらくたくさんの非難を受けたと思います。
大丈夫です、耐えられます。
まず多世界解釈を説明してもらえますか?そしてあなたが受けたかもしれない非難について話してもらえますか?
分かりました。人々に量子力学を説明するための古典的な実験はシュテルン・ゲルラッハ実験と呼ばれています。粒子のスピンを測定するのです。量子力学では、スピンは単にスピンです。非常に基本的な意味で、何かが回転している速度のことです。違いは、それが量子化されていることです。
例えば、単一の電子や単一の中性子の場合、それは時計回りか反時計回りかのどちらかです。その2つだけが測定結果として得られます。速く回転したり遅く回転したりすることはありません。一方向に回転するか、もう一方の方向に回転するかのどちらかです。2つの選択肢しかありません。
量子力学の規則によると、電子を時計回りでも反時計回りでもない、両方の重ね合わせの状態に設定できます。そして、それは私たちが答えを知らないからではありません。測定するまでは本当に両方なのです。そして、測定すると、どちらか一方が見えます。
これが量子力学の根本的な謎なのです。つまり、見ていない時のシステムの記述と、見た時に見えるものとが異なるということです。
コペンハーゲン流の考え方で学生に教えるのは、電子のスピンを測定する行為が、物理的状態を根本的に変化させるということです。時計回りと反時計回りの重ね合わせから、一方または他方に自発的に崩壊します。そしてそれが起こる確率は教えることができますが、それだけです。それがいつ起こるのか、何が原因で起こるのか、なぜ起こるのか、そういったことは具体的に言えないのです。これはすべて量子力学の測定問題と呼ばれています。
多世界解釈は、ほら、さっき言ったように宇宙全体に対して波動関数は1つしかないと言うだけです。つまり、電子だけを記述するのは真剣に受け止められないということです。宇宙の他のすべてのものを含める必要があります。特に、電子を測定するためには、明らかに電子と相互作用しなければなりません。だから、電子と相互作用しているものは何でも、記述している波動関数に含めるべきなのです。
たぶん、あなたの目玉だけでそれを認識できるかもしれません。でも、波動関数にあなたを含めましょう。そして、非常に洗練されたリスナーを持っているので、もう少し丁寧に説明しますね。電子のスピンを測定するとはどういう意味でしょうか?
詳細に立ち入る必要はありませんが、次のことが真実であってほしいのです。もし電子が100%時計回りに回転している状態にあるなら、測定結果はそれが時計回りに回転していたと教えてほしいのです。あなたの脳に「はい、電子は時計回りに回転していました」と言ってほしいのです。同様に、100%反時計回りなら、それを測定して見てほしいのです。
量子力学のシュレーディンガー方程式の規則は100%明確で、時計回りのときは時計回りと測定したい、反時計回りのときは反時計回りと測定したいなら、重ね合わせの状態から始めると、あなたと電子はお互いにもつれ合うことになります。
つまり、宇宙の状態は、電子が時計回りに回転していて、私はそれを時計回りに見たという部分と、電子が反時計回りに回転していて、私はそれを反時計回りに見たという部分に進化するのです。
これは誰もが同意する、完全に議論の余地のない、シュレーディンガー方程式の簡単な帰結です。そして、ニールズ・ボーアは、波動関数の一部が消えて、私たちはもう一方の部分にいて、どちらの部分になるかは予測できず、確率だけがわかると言うでしょう。
1950年代に大学院生だったヒュー・エヴェレットは、これについて考えていて、「もっといいアイデアがある」と言いました。波動関数の一部は魔法のように消えるのではなく、そのまま残るのです。
波動関数全体が常に残り、シュレーディンガー方程式に従うというエヴェレットのアイデアが、何年も前に考えられなかった理由は、素朴に考えると、「これは私が重ね合わせの状態になることを予測している。電子が時計回りであることも反時計回りであることも重ね合わせの状態になる」と思うからです。
実験者は誰も重ね合わせの状態にいるとは感じたことがありません。いつも結果を見ているのです。エヴェレットの天才的な動きは、「問題はシュレーディンガー方程式ではない。問題は、シュレーディンガー方程式の中で自分自身を誤って特定していることだ」と言うことでした。
「ほら、反時計回りを見た人がいる。時計回りを見た人がいる。私はその両方の重ね合わせであるべきだ」と言っているのです。エヴェレットは「いや、そうではない。なぜなら、スピンが時計回りだった波動関数の部分は、一度存在すると、スピンが反時計回りだったと言う波動関数の部分には全く影響を受けないからだ。それらは互いに離れていて、相互作用がない。一方で起こることは、他方には影響を与えない」と言うのです。
エヴェレットは、シンプルな解決策は、時計回りのスピンを見た人、または反時計回りのスピンを見た人のどちらかとして自分自身を特定することだと言います。その実験をすると、もう2人の人間がいるのです。シュレーディンガー方程式をいじる必要はありません。
波動関数の中で自分自身を正しく位置づけるだけでいいのです。それが多世界解釈です。世界の数は非常に非常に大きいのです。
それらの世界はどこにあるのでしょうか?どこへ行くのでしょうか?
簡単に答えると、世界は空間の中に存在しているのではありません。空間は各世界の中に別々に存在しているのです。つまり、あなたの質問に対する技術的な答えは、ヒルベルト空間、つまりすべての可能な量子力学的状態の空間ということになります。
しかし物理的には、私たちはこれらの世界をどこかに置きたいと思っています。それは私たちが持っている間違った直感なのです。世界の物理的な空間的位置というものは存在しません。なぜなら、空間は世界の内部にあるからです。
この解釈の特性の1つは、ある世界から別の世界へ移動できないということですね。
そうです。
それは世界が別々に存在しているように感じさせます。
世界は別々に、そして同時に存在しています。
空間の中の位置なしに。
空間の中の位置なしに、どのようにして位置なしで存在していると視覚化することができるのでしょうか?
その質問に対する本当の答え、正直な答えは、方程式がそれを予測しているということです。
視覚化できないなら、あなたにとってはそれだけ悪いことです。方程式は、予測していることについて明確です。
この解釈の含意のおかしさを理解し、視覚化に近づく方法はありますか?
そんなに難しくないと思いますよ。少なくとも私にとってはそうでした。量子力学的な測定をすると、宇宙には後になって、その測定で異なる答えを得た現在の自分の子孫が複数いるということを気にしません。彼らと相互作用することはできません。
波動関数の空間であるヒルベルト空間は、常にそれら全てを含むのに十分大きかったのです。私は宇宙の中で観測できる部分について心配するつもりです。
こう言いましょう。多世界解釈は、シュレーディンガー方程式を真剣に受け止めることによって生まれました。シュレーディンガー方程式は、データに合うように、異なる原子の スペクトルや異なる放射や吸収の実験に合うように発明されました。
「ほら、あなたはシュレーディンガー方程式を取って、それを外挿して、私たちが観測できる範囲を超えて信じている。私はそれをしたくない」と言うのは完全に正当です。それは完全に正当です。でも、では何を信じるのでしょうか?あなたが信じる方程式を教えてください。
データに合う正当な方法でそれをするのは超難しいことがわかっています。多世界解釈は、量子力学の本当にクリーンで、絶対に最もシンプルで、余計な手荷物のない理論なのです。
しかし、もしそれが実際に正しいなら、これは私たちが知っているどんなものよりも奇妙なことではないでしょうか?
実際、こう言わせてください。私の心の中で多世界について懐疑的になる最大の理由は、それが意味をなさないとか、データに合わないとか、世界がどこへ向かっているのかわからないとか、そういうことではありません。
他の領域で正しいとわかっている方程式を真剣に受け止めて、そのように外挿するには、新しい哲学が必要だからです。アイデンティティ、確率、予測など、多くのことについて新しい考え方が必要です。そして、その哲学を行うのは大変な作業です。私も他の人もそれをしてきましたし、それは十分可能だと思います。でも、簡単ではありません。私たちがすでに知っていることから単純に外挿できるわけではありません。非常に遠くまで大きく外挿するのです。
そして、ある種の方法論的に保守的になって、「それは一歩行き過ぎだ。私はそれを買いたくない」と言いたいだけなら、私はそれに共感します。私はあなたがただ逃げているだけだと思います。もっと勇気を持つべきだと思います。でも、その衝動は理解します。
そして、多世界解釈の下では、もしあなたが巻き戻すなら、1つの初期状態があるはずだという時間の矢があります。
そうですね。量子力学のすべての異なるバージョンは、ある種の時間の矢を必要とします。それぞれの種類で異なるかもしれませんが、量子測定のプロセスは不可逆的です。何かを測定すると、それは崩壊します。後戻りはできません。誰かが結果を教えてくれたら、私は電子を測定して、そのスピンは時計回りだと言うと、それ以前はどうだったのか、測定する前の一部は時計回りだったが、どのくらいかはわからないのです。
そして、多世界解釈でも同じことが言えます。でも、いいことは、多世界解釈で必要とされる時間の矢の種類は、エントロピーや熱力学などで必要とされる時間の矢の種類とまさに同じだということです。両方の場合、シンプルな低エントロピーの初期状態が必要なのです。
実際に多世界解釈の下で宇宙の歴史全体を見ると、訂正があればお願いしますが、それは非常に決定論的に見えますね。
そうですね。その通りです。
各瞬間には、宇宙の歴史全体の記憶が含まれているのでしょうか?その瞬間には、それ以前のすべての記憶が含まれているのでしょうか?
私たちが知る限りでは、そうです。多世界解釈によれば、宇宙の波動関数、つまり宇宙のすべての枝、一度にすべての世界は、すべての情報を含んでいます。それを記憶と呼ぶのは少し危険です。なぜなら、それは私たちの脳の中にある記憶とは同じ種類の記憶ではないからです。
私たちの記憶は時間の矢に依存していますが、シュレーディンガー方程式やニュートンの法則のポイントは、それらに時間の矢が組み込まれていないということです。それらは可逆的です。宇宙の状態は、それがどこから来たかを覚えているだけでなく、それがどこへ行くかも決定します。私たちの記憶はそうではありません。
でも、私たちの記憶は再生できます。これをすることはできますか?
しかし、記憶を形成する行為は宇宙のエントロピーを増加させます。それは不可逆的なプロセスでもあります。ビーチを歩いて足跡を残すこともできます。それはあなたが通過した記録です。それは最終的に宇宙の増大するエントロピーによって消されるでしょう。
でも、不完全に再生することはできますね。私たちは不完全に過去に戻ることができるのでしょうか?
精度のレベルによりますね。宇宙は宇宙がどこにあったかについての情報を含んでいますが、あなたと私はそうではありません。私たちはそれに近づくことさえできません。そして、宇宙に相談しようとするのは計算的にとてもコストがかかります。
まあ、正確に何を聞いているかによりますね。例えば、ビッグバンの30秒後の宇宙の温度は何度だったかなどの単純な質問には答えられます。かなり高い精度で答えられるというのは驚くべきことです。でも、すべての原子がどこにあったかを知りたいなら、それはできません。
ビッグバンとは何だと思いますか?なぜ、それが起こったのでしょうか?
私たちにはわかりません。私はそれがとても重要な質問だと思います。進歩があるかもしれないと想像できます。でも今のところ、答えについてほぼ最大限に不確かです。
ブラックホールは役に立つと思いますか?
いいえ、それほどではないかもしれません。量子重力は役立つでしょう。そしてブラックホールは量子重力を解明するのに役立つかもしれません。だから間接的にはイエスです。
一般相対性理論では、過去に特異点があったと明確に予測されています。宇宙が無限の曲率、無限のエネルギー、無限の膨張率を持っていた時間の瞬間があったのです。それは理論が破綻したという言い方に過ぎません。古典的な一般相対性理論では、その瞬間に実際に何が起こったのかを言うことはできません。
したがって、ある意味で他の瞬間が存在しなかった時間の瞬間があったということは十分ありえることです。そしてそれがビッグバンになるでしょう。たとえそれが古典的な一般相対性理論の種類のものではなく、量子力学が関与しているとしてもです。
そういうことが起こったのかもしれません。また、その前に時間と空間があり、私たちがあまりよく理解していないプロセスによって、私たちの熱いビッグバンに進化したということも十分ありえます。
そして、もし時間と空間が創発的なものであれば、その前というのは本当に奇妙になり始めます。
時間に最初の瞬間があるということは、時間が創発しているという考えにぴったりだと思います。時間が基本的なものであれば、それは永遠に続く傾向があります。なぜなら、それは基本的なものだからです。
そうですね。この質問の一般的な定式化は、私たちの宇宙の外側は何かということです。時間的にも空間的にも。
ショーン、これはヘビースモーカーの質問だとわかっています。私は謝罪します。
それが私の人生です。ヘビースモーカーの質問をすることが私の人生なのです。
その中には、それを考えるのに適切な方法ではないという答えがあるものもありますね。
でも、私たちの宇宙の外について考えることは全く正当なのでしょうか?
質問することは絶対に正当ですが、答えが「私たちの宇宙の外側というものは存在しない」という可能性を受け入れる必要があります。それは絶対にテーブルの上にあります。実際、それは私たちが知っている中で最もシンプルで、正しい可能性が高い答えです。
でも、それが宇宙の中で外側を持たない唯一のものになるとしたら…。
もし宇宙がすべてのものの全体であれば、それは外側を持たないでしょう。
外側がないと考えるのは非常に奇妙なことです。
私たちはそこに外側があってほしいのです。これを導いた創造者、創造力のようなものがあってほしいのです。これが私たちの町で、もっと大きな世界があり、いつもより大きな世界があるように。なぜなら、それが私たちの経験だからです。私たちが育った世界です。
宇宙はそのルールに従う必要はありません。
子供の頃、そのことが私を夜眠れなくしていました。宇宙が存在しなかったらどうなるのかと。
これが唯一の宇宙で、私たちがここにいて、おそらく唯一のインテリジェントな文明であるとしたら、それはとてもプレッシャーに感じます。
それは昔の理論で、私たちがすべての中心だというものです。これがすべてだと考えるのは、何となく疑わしく感じます。
だから多世界解釈は私にとってワクワクするのです。それは正しい種類の方法で謙虚なのです。無限大がこの全体の動き方のように感じられます。
ただ一つ、言及しておきたい落とし穴があります。宇宙論の理論的な端っこでよく使われる手法で、私は少し間違っていると思うのですが、「私は典型的な観測者であると想像して、宇宙について考えよう」というものです。
これは典型性の原理や凡庸性の原理、あるいはコペルニクス的原理とも呼ばれています。私には特別なことは何もない、ただ典型的なだけだと。でもそこから何かの結論を導き出すのです。そして気づくのは、あなたは笑えるほど思い上がっているということです。
なぜなら、「私は宇宙の中で典型的な観測者だ」と言うことで、「宇宙の中の典型的な観測者は私のようだ」と言っているからです。そしてそれは何によっても正当化されていません。
正しいやり方は何かとは言いませんが、実験的な検証や反証にはっきりと基づいていないこの種の質問は、非常に慎重に扱う必要があります。
私にとって、それは最も興味深い質問の一つです。それにアプローチする様々な方法がありますが、これの外側は何なのか、ビッグバンはどのように始まったのか、無から何かを得るにはどうすればいいのか、それがいつも問題の核心になります。
ブラックホールや量子重力の統一など、あらゆる種類のものを研究していると、いつもこの質問に近づいていきます。これはすべてどこから来たのでしょうか?
そして、私はそれがおそらく答えられる質問だと思います。
いいえ、そうである必要はありません。
では、この下にはカメがいて、その正体を明かすのを拒否していると思いますか?
はい、宇宙には特に質問に答えないカメがいる可能性はあると思います。
具体的にその質問、なぜ無ではなく何かがあるのかという質問は、私たちが通常なぜという質問に帰属させるような種類の答えを持っていません。
なぜなら、典型的ななぜという質問は宇宙の中に埋め込まれていて、それに答える時、私たちは宇宙の知っている特徴を利用するからです。
でも、宇宙それ自体は、私たちが知る限り、より大きくより強力な何かに埋め込まれているわけではありません。
だから、それはただそうであるかもしれません。
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