宇宙の初期には我々がこれまで考えてきた物理法則が当てはまらない可能性が示唆されているが、新たな研究の中で、宇宙の最初の瞬間には量子もつれが存在しなかったかもしれないと報告している。この仮説が検証されれば、量子力学と時間の本質に対する我々の理解に挑戦することになるだろう。
デコヒーレントの時間の矢と熱力学の時間の矢
この研究は、サリー大学のJim Al-Khalili氏とカリフォルニア大学サンディエゴ校のEddy Keming Chen氏によって書かれ、プレプリントサーバーarXivに掲載された論文「The Decoherent Arrow of Time and the Entanglement Past Hypothesis」で詳述されている。この研究は「エンタングルメント過去仮説（Entanglement Past Hypothesis: EPH）」を探求しており、時間が一方向にしか流れない理由を探るものだ。これは量子物理学と熱力学の両方において基本的な概念である。
研究者によれば、量子もつれの概念、つまり二つの粒子が距離に関係なく深くリンクし、その特性が連動し続ける現象は、現代の量子力学において中心的な役割を果たしている。また、量子コンピュータが非常に複雑な計算を処理できる可能性を秘めている理由でもある。だが、量子もつれは外部の影響によって破壊されやすく、量子デコヒーレンスと呼ばれるプロセスを引き起こすため、量子コンピューティングの実用化が困難な理由ともなっている。
New Scientistの記事によれば、この現象は“デコヒーレントの時間の矢”の概念を生み出し、デコヒーレンスが不可逆であるため、時間が前に進む根本的な理由になる可能性があると示唆している。この考え方は、時間の流れの方向が熱力学の第二法則、すなわちエントロピー（無秩序）が常に増加しなければならないという従来の熱力学的時間の矢の概念と並行している。
Al-KhaliliとEddy Keming Chenの研究は、宇宙の始まりにはそもそも量子もつれが存在しなかったと示唆している。宇宙が進化するにつれて、量子もつれが増加し、それに伴いデコヒーレンスが増加した。この仮説は「エンタングルメント過去仮説」と呼ばれ、宇宙の初期の量子状態における非常に低いエントロピーを指摘している。
Chapman UniversityのEmily Adlamは、「デコヒーレントの時間の矢を得るためには何らかの過去仮説が必要であるということは漠然と認識されていましたが、それが詳細に検討されたことはありませんでした。この研究は、宇宙の始まりの状態が具体的に何であるかを明確にしています」と、この研究の新規性を強調し、New Scientistに対して述べている。
この研究の影響は理論物理学を超えて、宇宙の進化と時間の本質に対する我々の理解に影響を与える可能性がある。
宇宙の初期状態を直接観察することは不可能であるが、それを理解することは科学者が宇宙の進化を理解するのに必要不可欠かもしれない。Al-KhaliliはNew Scientistに対して次のように述べている。「非常に早い宇宙を超えると、熱力学的エントロピーがあり、重力がすべてを集めてしまうので、量子もつれについて心配する必要はなくなります。一度方向性が決まれば、すべてが自動的に進行します—私たちにはただ出発点が必要だったのです」。
Al-Khalili氏とChen氏の研究はまた、低エンタングルメントの初期状態が低い熱力学的エントロピーを持つため、熱力学の矢と量子の矢の間に可能なつながりがあるかもしれないことを示唆している。研究者たちは、デコヒーレントの矢が時間の流れをより客観的に測定する手段を提供するかもしれないと論じている。「熱力学の時間の矢では、ある意味でズームアウトしています。デコヒーレントの時間の矢は、もう少し客観的です」と、New Scientistに述べている。
この客観性は、デコヒーレントの時間の矢が以前よりも基本的なものであることを意味するかもしれないとNew Scientistは報じている。
AdlamはNew Scientistのインタビューで、エンタングルメント過去仮説が熱力学過去仮説を導き出す助けとなり、時間に対するより包括的な理解につながることを期待している。この統合された見解は、宇宙における時間の動態に対する我々の理解を再構築する可能性がある。
この研究にはもう一つの重要な意味がある—それは宇宙の終焉が以前に考えられていたほど単純ではないことを示唆している。熱的死のシナリオでは、エントロピーが最大に達し、何も変化しない状態を示唆しているが、デコヒーレントの時間の矢は、このポイントを超えても進化が続くことを示している。
「熱的死はあります。すべてが構造のないスープになりますが、最大のエンタングルメントに達するにはさらに何十億年もかかるでしょう。これは、宇宙の熱的死の後でも実際に興味深いことが起こることを意味しています」と、Chen氏はNew Scientistに語っている。
エンタングルメント過去仮説が検証されれば、時間の存在を根本的に確認することができるかもしれない。Al-Khalili氏はNew Scientistに対して「時間の流れは主観的だと簡単に主張できますが、時間の方向性は根本的なものであり、したがって時間は実在します」と述べた。
研究者たちはいくつかの限界と将来の研究のための課題を挙げている。彼らはエンタングルメント過去仮説が宇宙の部分システムへの分割に依存しているため、これを精緻化する必要があると述べている。将来の研究はエンタングルメント過去仮説と熱力学過去仮説を統合して時間の統一的な理解を目指すことになるだろう。これは、この仮説の多くの複雑さに対処するために非常に重要であると研究者たちは付け加えている。
論文
参考文献
研究の要旨
もし時間の非対称性が物理学の基本的な力学法則から生じないのであれば、それは特殊な境界条件の中に見出されるかもしれない。通常、熱力学第二法則によれば、過去の熱力学的エントロピーは未来の熱力学的エントロピーよりも低いので、これをビッグバン前後の時間までさかのぼると、宇宙は熱力学的エントロピーが非常に低い状態から始まったに違いない、という議論になる。この論文では、似たような役割を果たすもう一つの境界条件について考察する。ただし、時間の矢印が非干渉的であること、つまり、宇宙の量子状態が過去よりも未来の方がより混ざり合っていることが条件となる。我々が「エンタングルメント過去仮説」と呼ぶものによれば、宇宙の初期量子状態はエンタングルメント・エントロピーが非常に小さい。エンタングルメント過去仮説の内容を明らかにし、熱力学過去仮説と比較し、今後の研究の課題と未解決の問題を明らかにする。
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