量子世界で発見された「2つの時間の矢」、時間の流れは一方向ではない可能性

2025年2月19日

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サリー大学の研究チームが、量子系において時間が一方向にのみ流れるのではなく、逆向きにも流れ得るという証拠を発見した。これは、物理学における時間の性質に関する長年の仮定を覆すものであり、宇宙の理解に大きな影響を与える可能性がある。

時間はどちらの方向にも進みうる

「例えば、こぼれたミルクがテーブルに広がる様子を見れば、時間が前に進んでいることは明らかです。しかし、これを逆再生すると、何かがおかしいとすぐに気づくでしょう。ミルクがグラスに自然に戻っていくとは考えにくい」と、サリー大学の物理学・数理生物学教授であるAndrea Rocco博士は説明する。

「しかし、振り子の動きのように、逆再生しても自然に見える現象もあります。問題は、最も基本的なレベルでは、物理法則は振り子のようなもので、不可逆的なプロセスを説明できないことです」とRocco博士は付け加えた。「我々の発見は、時間は一方向にしか進まないという一般的な経験がある一方で、逆方向も同様に可能であることに気づいていないだけかもしれないことを示唆しているのです」。

我々は過去を記憶し、未来を記憶することはできない。破壊を目撃することはあっても、自然に元に戻ることはない。この一方向性、つまり時間の「非対称性」は、物理学者が「時間の矢」と呼ぶものだ。しかし、古典力学や量子力学を含む物理学の基本法則は、過去と未来を区別しない。これらの法則によれば、時間は前向きにも後ろ向きにも自然に流れることができる。しかし、我々の現実は明確な方向性を示している。

エントロピーとの関係

従来、時間の矢はエントロピー（系の無秩序さの尺度）と関連付けられてきた。熱力学第二法則によれば、孤立系のエントロピーは常に増大するため、このプロセスは真に不可逆的なものの1つとなる。この原理は、時間が一方向に流れる理由を説明するために長い間使われてきた。

しかし、疑問は残る。この原理は、基本的に時間対称的な法則から生じるのだろうか？

Thomas Guff博士、Chintalpati Umashankar Shastry博士、Andrea Rocco博士によるこの研究では、「開かれた量子系」（環境と相互作用する量子的な実体）に焦点を当てた。

これらの相互作用は、通常、時間の流れに関する仮定を含む方程式を用いて記述される。従来のアプローチでは、量子系では時間反転対称性が破れ、単一の時間の矢が生じるとされていた。

しかし、研究チームは、量子力学で一般的に使用される単純化であるマルコフ近似を正しく対称的に適用すると、結果として生じる量子ダイナミクスは時間反転対称性を破らないことを発見した。彼らの発見は、量子系が平衡に向かって時間的に前方にも後方にも進化し得ることを示唆している。

簡単に言えば、1つの支配的な時間の矢が出現するのではなく、2つの対向する矢があり、それぞれが中心点から離れる方向を指している。これは、「現在」と認識される時点から量子系を観察すると、2つの分岐する経路が見える可能性があることを意味する。1つはエントロピーが未来に向かって増加する経路、もう1つはエントロピーが過去に向かって増加する経路である。

「このプロジェクトの驚くべき点は、開かれた量子系を記述する方程式に標準的な単純化の仮定をしても、系が時間的に前方または後方に移動しても方程式が同じように振る舞うことでした」とGuff博士は説明する。「数学を注意深く調べたところ、方程式の重要な部分である『記憶カーネル』が時間的に対称であるため、この振る舞いは必然であることがわかったのです」。

より広い意味合い

この発見は広範囲に影響を及ぼす可能性がある。量子系に2つの対向する時間の矢が存在する場合、物理学者は熱力学における時間の定義を再考する必要がある。

例えば、エントロピー増大を支配する熱力学第二法則は、絶対的な法則ではなく、時間の方向の初期選択の結果である可能性がある。

宇宙論においては、この発見はビッグバン時の時間の性質に新たな視点を提供する。一部の物理学者は、時間の矢は宇宙の非常に秩序だった初期状態から生じた可能性があると推測していた。

今回の研究は、ビッグバンが2つの反対方向の時間の矢を生み出した可能性を示唆している。つまり、私たちの宇宙を鏡のように映し出しながら、逆の時間方向に進む別の宇宙が存在する可能性があるということだ。

今回の発見は、物理学における最大の謎の1つ、つまり「なぜ時間はそのように動くのか」という問いに答えるための重要な一歩となる。「時間の見かけ上の方向性は、宇宙の固有の特性ではなく、特定の条件下で現れる特徴である可能性があることを示唆している」と研究チームは結論づけた。

さらに、この研究は実験的な意味合いを持つ可能性がある。量子系が実際に双方向の時間発展を示すのであれば、物理学者は反対方向の時間の矢の兆候を検出する実験を考案できるかもしれない。

そのような実験は、量子力学における時間の役割についての理解に革命をもたらし、この時間対称性を活用する新しい量子技術につながる可能性がある。

この研究は時間の真の性質を解明するための重要な一歩となる可能性があるが、多くの疑問が残されている。より複雑な量子系では、これらの2つの矢はどのように相互作用するのだろうか？これらの発見は、量子力学と相対性理論の間のギャップを埋めることができるだろうか？そして、最も基本的なレベルでは、時間自体は現実の本質的な次元ではなく、単なる創発的な特性である可能性はあるのだろうか？

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