物理学の最大の謎の一つである「量子力学上の多世界から我々の古典的な世界がどのように生まれるのか」という問題について、バルセロナ自治大学の研究チームが画期的な解答を示した。量子力学の多世界解釈から古典世界が必然的に創発することを、大規模な数値シミュレーションによって実証したのである。この成果は物理学の根本的な問題に新たな光を投げかけるものとして、注目を集めている。
量子と古典をつなぐ新たな理論的枠組み
研究チームは量子システムの進化を追跡する大規模なシミュレーションを実施した。具体的には、50,000個という前例のない規模のエネルギー準位を持つ量子系について、5つの時間ステップにわたる進化をシミュレーションすることに成功したのだ。これは日常的な古典現象を完全に再現するには至らないものの、従来の研究と比較して格段に大きな規模であり、量子から古典への移行を理解する上で重要な知見をもたらした。
「単一の電子や原子、光子の振る舞いに関して、量子物理学は我々の古典的な経験と相容れません」と、筆頭著者のPhilipp Strasberg氏は説明する。しかし研究チームは、マクロなスケールで観察される現象に着目することで、量子的な性質が自然に消失していく過程を明らかにした。例えば、私たちが日常的に経験する朝のコーヒーの温度や石の位置といった物理量を観察すると、量子力学特有の奇妙な振る舞いの原因となる量子干渉効果は消失することが示された。
この研究の革新的な点は、従来のアプローチとは異なり、特定の相互作用や初期波動関数の形に依存しない普遍的な理論枠組みを提示したことにある。これまでの研究では、量子デコヒーレンス—量子系が環境と相互作用することで重ね合わせ状態が失われる現象—に基づくアプローチが主流だった。しかし、このアプローチは特定の相互作用と初期条件でのみ機能するという微調整問題を抱えていた。
新たな理論的枠組みでは、波動関数の多様な進化の中から、観測可能な非微視的なスケールにおいて安定で無矛盾な特徴が自然に創発することを示した。これは、シュレーディンガーの猫に代表される量子力学の解釈問題に対して、新たな視座を提供するものだ。量子状態の「測定」や「波動関数の収縮」といった概念に頼ることなく、多世界解釈の枠組みの中で古典世界の出現を自然に説明できる可能性を示唆している。
量子から古典への創発は必然的
研究チームの画期的な発見は、量子システムから古典世界への移行が偶然や特別な条件によるものではなく、必然的な過程であることを実証した点にある。研究では波動関数の初期状態や量子系間の相互作用の強さなど、様々なパラメータを変化させてシミュレーションを行った。その結果、驚くべきことに、これらの条件に関係なく、マクロなスケールでは常に安定的に進化する構造が出現することが明らかになった。
「この量子干渉効果の消失が系のサイズとともに指数関数的に—つまり極めて急速に—起こることは特筆に値します」とStrasberg氏は説明する。この発見は、量子的な奇妙さが古典的な現実へと移行する過程が、これまで考えられていたよりもはるかに普遍的で強固な現象であることを示している。わずか数個の原子や光子からなる小さな系であっても、適切なスケールで観察すれば古典的な振る舞いを示すことができる。この現象は特別な条件や微調整を必要とせず、量子系に内在する自然な性質として現れるのである。
さらに注目すべき点は、この創発過程の安定性である。研究チームは、異なる初期条件や相互作用の強さを設定しても、同様の分岐パターンが形成されることを確認した。これは、我々が経験する古典世界の普遍性と安定性の起源を説明する重要な手がかりとなる。量子力学的な不確定性や重ね合わせが支配する微視的世界から、確定的で予測可能な古典的世界が必然的に生まれてくるメカニズムが、ここに示されたと言えるだろう。
熱力学的平衡からの秩序の出現
研究チームがもたらした最も驚くべき発見の一つは、熱力学的平衡状態という、一見すると完全に無秩序な状態にある量子系からでさえ、意味のある古典世界が創発しうることを示した点にある。この発見は、量子力学と熱力学の深い関係性に新たな光を投げかけるものである。
「我々の宇宙ではこのような状況は極めて稀であると考えられますが、この結果は量子的多世界の個々の分岐において、秩序、構造、そして時間の矢が自発的に現れうることを示しています」とStrasberg氏は説明する。全体としては混沌としており、無構造で時間対称的に見える量子的多世界の中で、個々の分岐を詳細に観察すると、そこには驚くべき秩序が存在することが明らかになったのである。
特に興味深いのは、統計力学との関連性である。研究チームは、温度や圧力といったマクロな特徴が、ランダムに運動する粒子の集団から創発する過程を詳細に分析した。その結果、量子系の分岐の中には、エントロピーが増大する世界と減少する世界が存在することが判明した。これは、異なる分岐において時間の矢が逆向きになる可能性を示唆する革新的な発見である。
この研究は、熱力学第二法則の本質に関する新たな視点も提供している。私たちの世界で観察されるエントロピー増大の法則は、実は量子的多世界の特定の分岐における現象に過ぎない可能性がある。全体としての量子的多世界は時間対称性を保持しているにもかかわらず、個々の分岐においては明確な時間の方向性が自然に現れるのである。これは、私たちが経験する不可逆性や時間の一方向性の起源に関する根本的な問いに、新たな解答の可能性を示唆している。
この発見は、宇宙の大規模構造の形成や生命の起源といった、秩序の創発に関する根本的な問題にも重要な示唆を与える。完全な熱平衡状態からでさえ局所的な秩序が自発的に生まれうるという事実は、自然界における複雑性の起源を理解する上で、新たな理論的基盤を提供する可能性を秘めているのだ。
論文
- Physical Review X: First Principles Numerical Demonstration of Emergent Decoherent Histories
参考文献
研究の要旨
歴史形式論の中で、デコヒーレンス汎関数は孤立量子系における古典性の出現を調べるための形式的なツールであるが、第一原理からの明示的な評価は報告されていない。 われわれは、シュレーディンガー方程式の厳密な数値対角化に基づいて、5時間までの歴史についてそのような評価を提供する。 一般的なランダム行列モデルの遅い観測量と粗い観測量について、非干渉性の頑健な出現を発見し、ヒルベルト空間の次元を4桁以上変化させることで、有限サイズのスケーリング則を抽出する。 具体的には、系の粒子数の関数としてコヒーレント効果が指数関数的に抑制されることを仮定し、それを観測した。 このことは、環境誘起デコヒーレンス、量子ダーウィニズム、マルコフ近似、低エントロピー初期状態、アンサンブル平均などに頼ることなく、最小限の理論的枠組みで、多世界解釈の優先基底問題（あるいは歴史形式論の集合選択問題）を解決することを示唆している。
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