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隠れた変数理論

前回の記事で、量子力学にしたがう世界は確率的にしか物事は決まらないとお話しましたが、E.アインシュタインは「神はサイコロをふらない」という言葉に代表されるように、生涯にわたって量子力学に対して懐疑的な態度を崩しませんでした。しかし当時からすでに、あらゆる実験結果が量子力学の正しさを示唆していました。アインシュタイン博士は天才物理学者ですから、そうした実験結果を無視してただ「嫌いなものは嫌い」と駄々っ子みたいなことを言っていたわけではありません。では彼はどのようなスタンスで量子力学の無作為性を否定したのでしょうか。

隠れた変数理論

アインシュタインの主張を簡単に要約すると
「粒子の位置と運動量が決まっていないのではなく、本当は決まっているけど、それは人間にはわからないだけだ」
ということです。つまり量子力学を完全に否定するわけではないけれど、自然界を記述する方法としては不完全で、確率的振る舞いの背後にはまだ知られざる法則があると主張していたのです。これを隠れた変数理論とよびます。この主張に対してすぐに反論することがなかなか難しいのです。

ここでいったん量子力学から離れて古典的な世界に立ち返ってみます。そして本物のサイコロをテーブルの上に落としてみましょう。ころころころ。

「5」の目が出ました。
これは本当にランダムに「5」が出たのでしょうか?
残念ながら古典力学に従うかぎり、これはランダムとは言えません。
複雑な要因がたくさん絡んだ運動であることは確かです。

・最初にどの面が上を向いていたの?
・転がした手の皮膚とサイコロの摩擦係数は?
・サイコロと空気の摩擦係数は?
・どのくらいの角度でサイコロを離したの?
・手の平の皮膚にある水分(汗)の量は?
・落下距離はどのくらい?
・室内の温度は?(温度によって空気密度が僅かに変化します)
・窓は開いてる?(風が吹き込んでいるかもしれません)

…とまあ数え上げればきりがありませんけど、ともかく運動に関わる様々な要素によって「決められた運動」をしているだけなのです。しかしそうした要因を人間が全て把握してサイコロの目を予測することはとても難しいので、人間の視点ではランダムであるように思えてしまうのです。この例と同じように「量子の世界にも人間には把握できていない要因が隠されていて、それが物質の振る舞いを定めているはずだ」というのが隠れた変数理論なのです。ではそうした変数が存在する兆候はあるのでしょうか?

残念ながら今のところは隠れた変数理論を確証するような実験結果は得られていません。そしてほとんどの物理学者さんたちは、不確定性原理は自然界の根源的な性質であると考えています。とはいえ現在でも少数ながら隠れた変数を探し続けている人たちもいますし、時々面白い仮説も発表されています。ネットや新聞などで量子力学関連の記事があったら、ざっと目を通してみてください。思わぬ発見が載っていたりするかもしれませんよ。

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  1. あとりえこばと より:

    AIに隠れた変数理論について解説してもらいました。
     
    [GPT] あなたが友達とコインを使ってゲームをしているとしましょう。コインを投げる瞬間、表か裏かはまだわかりません。これが量子力学の一部です。コペンハーゲン解釈では、コインが投げられる瞬間に、表か裏かが確定していないとされています。観測するまで結果は確定しないのです。

    しかし、隠れた変数理論では、コインが投げられる瞬間にも、実は表か裏かがすでに決まっていると考えます。ただし、その情報は我々には見えない、隠れているのです。つまり、コインが投げられたら、実は表か裏かはあらかじめ決まっていた、ただそれが見えなかった、という考え方です。

    ただし、物理学者たちはいくつかの実験や理論的な考察から、特定の形の隠れた変数理論が成り立たない可能性があることを示しています。つまり、コインのように常に結果があらかじめ決まっているような情報が存在するとは限らない、というわけです。