隠れた変数理論

隠れた変数理論

隠れた変数理論とは、量子力学の確率的な性質を説明するために、観測者が直接見ることのできない変数を導入する考え方です。この理論は、量子現象における不確実性を独自のメカニズムで解釈しようと試みます。

動機

現在の量子力学は、その性質上、非決定論的です。具体的には、同じ物理系に対して測定を行った場合でも、結果が異なることがあります。この確率的な振る舞いに対して、物理学者の一部は、実はその裏に根源的な真実が隠れているのではないかと考えるようになりました。つまり、量子力学に基づく世界の理解は、未だ不完全かもしれないという疑念が生まれたのです。このため、隠れた変数の存在を主張する学説が誕生しました。しかし、歴史的に見ると、隠れた変数理論の多くは、これまでの実験結果と整合しないことが示されています。このような理論の初期には主に決定論的な考え方が寄与していましたが、次第に非決定論的なアプローチも導入されるようになりました。

EPRパラドックスとベルの定理

1935年にアインシュタインやポドルスキー、ローゼンによって提起されたEPRパラドックスは、量子力学の実在論的説明が十分でないことを示唆するものでした。この議論は、隠れた変数理論を模索するきっかけとなります。1964年には、ジョン・スチュワート・ベルによるベルの定理が発表され、局所的な隠れた変数理論が実験結果と一致する場合、特定の条件下で必ずベルの不等式を満たす必要があることが示されました。量子もつれが正しいとすれば、この不等式は破られることになります。

アラン・アスペらによる実験では、高い信頼水準で不等式の破れが報告され、局所的な隠れた変数理論は否定されましたが、非局所的な理論については明確に否定されたわけではありません。

コッヘン＝シュペッカーの定理

数学的にも、隠れた変数理論に関する議論は続いています。コッヘンとシュペッカーは、特定の条件下で物理量に同時に確定した値を持たせることができないと証明しました。こうした理論と現実との間の齟齬については、物理学界内でも熱い議論となっています。

隠れた変数理論の特徴

収束した隠れた変数理論は、非局所的でなければならないとされます。つまり、互いに隔離された物体間の因果関係が瞬時に伝わる場合もあり得るということです。1920年代の終わりに、ルイ・ド・ブロイが最初の隠れた変数理論を提唱しました。現代において最も知られているのは、デヴィッド・ボームによるボーム力学です。この理論では、量子粒子とそれに影響を与える「導波」の存在を仮定し、粒子の運動を決定論的に説明します。

ただし、ボーム理論は相対論との整合性が低いとされ、多くの物理学者から批判を受けています。それでも、この理論は量子力学を異なる視点から理解しようとする試みの一部であり、物理学の新しい視野を開くかもしれません。

結論

現在の多くの物理学者は、隠れた変数理論が宇宙の真の説明ではないと考えています。しかし、こうした議論は物理学の基礎にある哲学的な疑問や、量子に関する新たな理解を深めるための重要なステップであることを忘れてはいけません。

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