1989年に発表された実験では、電子を1秒に10個ほどのゆっくりした間隔で、二つの隙間のある装置へ飛ばした。一つずつ送るので、装置の中に電子が同時に二つ以上いることはない。届いた電子は奥の画面のどこか一点を光らせる。その光る場所は毎回ばらばらだ。ところが20分ほど経つと、散らばっていた光が何本もの縞になって並んでいた。この縞は、波が二つの道を同時に通り、向こう側で重なったときにだけできる模様だ。粒を一粒ずつ飛ばしているのに、なぜ波の模様ができるのか。ここに量子力学の「不思議さ」の出発点がある。
私たちの日常の直感では、粒は右か左のどちらか一つの道を通る。ボールを投げれば、その軌道ははっきりしている。しかし小さな粒の世界では、その当たり前が通用しない。この違和感は、100年以上前の物理学者たちも同じように経験した。
粒と波の二重性は、100年以上前から問われてきた
1803年、イギリスの医師トマス・ヤングは、細い光を二つに分けて壁の上で重ねる実験を見せた。明るい筋と暗い筋が交互に並んだ。ヤングはそれを水の波の重なりとして考えた。山と山が重なれば高くなり、山と谷なら打ち消し合う。光は波だという考えは、その後100年近く物理学の土台になった。
ところが1900年、マックス・プランクはエネルギーが滑らかではなく、一塊ずつしかやり取りされないという仮説を発表した。この一塊が「量子」と呼ばれるようになる。さらにアインシュタインは、光そのものが粒の塊として飛んでくると考えた。光は、重なるときは波として振る舞い、金属にぶつかるときは粒として振る舞う。二つの顔を持っていた。
では粒だと思われていた電子のほうはどうか。ルイ・ド・ブロイは、光が粒にもなるなら電子のような粒も波になるのではないかと提唱した。その後、電子を薄い金属の膜に通すと波の模様が現れることが確かめられた。電子を粒として見つけたJ.J.トムソンの息子G.P.トムソンが、その波としての性質を示したというのも象徴的だ。どちらかが間違っていたのではなく、電子は粒としても波としても振る舞う。
波の正体は「電子がどこにいるかの確率」
では電子の波とは、何が揺れている波なのか。1926年、マックス・ボルンは一つの答えを出した。波は電子そのものではなく、電子がどこで見つかりやすいかを表す確率の波だという。最初の実験の縞模様もこれで読める。明るい筋は電子が届きやすい場所、暗い筋は届きにくい場所だ。一個の電子がどこに届くかは前もって言えない。言えるのは確率だけ。
同じころ、ハイゼンベルクは、粒の位置と勢いを同時にいくらでも細かく決めることはできないという不確定性関係を見つけた。これは測る道具が下手だからではなく、量子の世界の決まりそのものだとされた。確率でしか言えないという答えに、アインシュタインは強く反対した。
アインシュタインが違和感を抱いた「サイコロの世界」
アインシュタインはボルン宛ての手紙で、世界はくじ引きで動いているわけではないという確信を書いた。その言葉は後に「神はサイコロを振らない」として知られる。シュレーディンガーも、箱の中の猫という思考実験で、確率でしか言えない世界のおかしさを示そうとした。箱を開けるまで猫の様子が決まらないというのはおかしい、というわけだ。
さらにアインシュタインは、一緒に生まれた二つの粒を遠くに引き離し、片方を測るだけで遠くの粒の結果まで分かってしまう状況を論文にまとめた。もし結果があらかじめ決まっているなら、量子力学は不完全だという主張だった。この問いは後に、ジョン・ベルが不等式として定式化したことで実験にかけられるようになる。あらかじめ答えを運んでいるなら、離れた場所での結果の一致には上限があるはず。ところが1970年代以降の実験は、その上限を超える結果を示した。考えられる抜け道を塞いだ実験でも、粒は常識通りの「あらかじめ決まった答え」を持って動いてはいなかった。ただし、この繋がりを使っても光より速く情報を送ることはできない。
「見る」ことが現実を決めるわけではない
量子力学を調べると、人が見ると結果が変わる、意識が現実を作るという話をよく目にする。しかし実験で確かめられているのは少し違う。電子がどちらの道を通ったか区別できる記録を残すと、縞模様は消えてしまう。記録を取るのは機械であり、人がその記録を見るかどうかは関係がない。原子をほとんど押さずに、通った道だけを記録する実験でも縞模様は消えた。島を消すのはぶつかる力ではなく、どちらを通ったかがどこかに残ることなのだ。観測に人間の意識は必要ない。それでも、測る前はどうなっていて、なぜ一つの結果だけが出てくるのかという謎は残る。
解釈は分かれたまま、道具としては確か
ボーアを中心とする考え方では、測る前の粒の姿は語らず、測った結果の確率だけを扱う。一方、測るたびに世界が枝分かれしているという解釈もある。2025年に科学誌が研究者を対象に行った調査では、ボーア流の考えを選ぶ人が36%、枝分かれする世界を選ぶ人が15%で、自分の選んだ考えが正しいと思う人は24%しかいなかった。解釈は今も一つに定まっていない。
リチャード・ファインマンは講演で、量子力学を理解していると言える人はいない、という趣旨の言葉を残した。それでも量子力学は、現在のデジタル技術の土台になっている。手に持てる大きさの電気回路でも量子の振る舞いは起きる。使い方はよく分かっているのに、意味はまだ分からない。量子力学はそういう道具でもある。
一粒ずつ飛ばした電子が描く縞模様は、世界を完全に説明したいという願いと、それでも確かに動く技術との間に横たわる距離を、静かに示している。
