エンタングルメントで粒子がもつれています

 一応、大学時代に理論物理学を学んだので(あとになって純粋数学やプログラミングのほうに関心が強いことに気づいたけど)、そろそろ自身のテリトリーの記事でも書こうかなと思い、サイエンス全般のカテゴリーを作ってみました。たぶん、物理や天文関連の記事が多くはなるとは思いますけど、その時々の興味によって生命科学や考古学なども混じると思います。他の記事に比べると、かなり不定期な連載になると思うので、まあ気が向いたときにお立ち寄りください。

 少し前にカナダのカルガリー大学が 6 km 以上の距離で量子テレポーテーションを成功させたというニュースがありました。近年では世界中の研究施設で同種の実験を成功させています。とても面白そうなので、今回と次回はこの量子テレポーテーションについてとりあげたいと思います。前編では量子テレポーテーションの原理である エンタングルメント(Quantum entanglement) についてお話します。
 

近接作用という考え方

 物質はお互いにその種類によって重力であったり、電磁気力であったり、あるいは核力であったりと、ともかく何かしらの影響を与え合いますが、距離が離れるほどその影響も小さくなりますし、力を伝えるには時間がかかります(光の速度で伝わります)。要するに物理学では「遠い所にあるもの同士は互いにほとんど影響し合わない、しても時間差が生じる」という常識があったということです。また、たとえば地球から無人惑星探査機に情報を光(電磁波)で送ってコンピューターを操作しようと思っても、やはり光速という限界があるため、それが遠くにあるほど大きな時間差が生じてしまうのです。
 

もつれあっているのです

 さて本題に入りましょう。 エンタングルメント(entanglement) は実に不可思議な現象なんです。粒子のペア A, B を考えます。このペアは互いに影響を与え合います。ある種の粒子(電子など)にはスピンとよばれる回転する量があって、奇妙な響きではありますけど、回転方向によって「上向き」「下向き」と名づけられています。

 仮に粒子 A を観測して「上向き」だとわかれば、粒子 B は自動的に「下向き」と決まります。もちろん、これは先ほどの常識に照らせば、「互いに近距離にある場合に限っての話」となるはずですが、量子力学を使って計算すると ......
「いや、距離は関係ないよ。粒子 A を地球に置いておいたとして、粒子 B が月に行こうが、火星に行こうが、はたまた銀河の果てに飛ばされようと互いの影響関係は保持されたままなんだ」
という、おかしな結論が導かれてしまいます。つまり地球で粒子 A を観測して「上向き」だとわかれば、銀河の果てに漂う粒子 B はその瞬間に(時間差ゼロで)「下向き」と決まってしまいます。常識で考えると「???」と大混乱してしまいますね。

 まあともかく、自然界はそうなっていたので、人間は黙って謙虚に受け入れるしかないのです。別に人間が自然界を作ったのではないですから、自然界の法則が人間の常識とかけ離れていても仕方ない。そう考えるしかないでしょう。「奇妙でも理解できなくても、せっかく見つけた現象だし、このさいだから何かに有効利用してやろう」と考えるのがまた人間のしぶとさでもあります。

 ということで、次回はこのエンタングルメント現象の応用研究である「量子テレポーテーション」について、たとえ話をつかって説明してみようと思います。


 

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