アインシュタインを悩ませた非局所性：量子もつれが語る宇宙の真実
量子力学は、私たちの日常的な直感とはかけ離れた、驚くべき現象に満ちています。その中でも特に奇妙で、多くの物理学者、そしてかのアルベルト・アインシュタインをも悩ませた概念が、「量子もつれ」とそれに付随する「非局所性」です。これらは、宇宙の根源的な構造について、私たちが抱いていた常識を覆す可能性を秘めています。
量子もつれとは何か
量子もつれとは、二つ以上の量子（素粒子や原子など、ごく小さな物理単位）が特別な関係性を持つ状態を指します。一度もつれた粒子たちは、たとえどれほど物理的に遠く離れてしまっても、一方の粒子の状態が観測によって確定すると、それと同時に（文字通り瞬時に）、もう一方の粒子の状態も確定するという性質を持ちます。
この状態を理解するために、少しユニークな比喩を考えてみましょう。例えば、特殊なペアの靴下があるとします。この靴下は、片方が必ず左足用、もう片方が必ず右足用になるように作られていますが、手元にある片方がどちらなのかは、袋を開けて確認するまで分からないとします。そして、この靴下は非常に特殊で、片方の袋を開けて「これは左足用だ」と分かった瞬間に、もう片方の袋の中身が地球の裏側にあったとしても、それが瞬時に「右足用だ」と確定するという性質を持っていると想像してください。
量子もつれの状態にある粒子は、これに似ています。それぞれの粒子が持つ性質（例えば、粒子のスピンと呼ばれる量子的な「回転」の向きなど）は、観測されるまでは不確定な重ね合わせの状態にあります。しかし、ペアの一方を観測してその性質が確定した途端、もつれた相手の粒子の性質も、観測された場所からどんなに離れていても、瞬時に、そして相関をもって確定するのです。
非局所性：アインシュタインの「幽霊」
この「瞬時」の確定が、量子もつれの本質であり、「非局所性」と呼ばれる性質です。「局所性」とは、ある場所で起こる出来事は、その場所やその周辺の出来事によってのみ影響され、光速を超えて瞬時に遠隔地に影響を及ぼすことはない、という私たちの日常的な経験や相対性理論に基づいた考え方です。
ところが、量子もつれでは、一方の粒子を観測したという「出来事」が、どれだけ離れた場所にあるもう一方の粒子に、光速を超えるかのように瞬時に影響を及ぼし、その状態を確定させているように見えます。アインシュタインはこの現象を「幽霊のような遠隔作用 (spooky action at a distance)」と呼び、既存の物理学の枠組みでは説明できない、あるいは量子力学理論が不完全である証拠ではないかと深く疑問を呈しました。彼は、粒子は観測される前から隠れた情報（「隠れ変数」と呼ばれることもあります）を持っており、その情報に従って振る舞っているのだと考えたのです。そうであれば、一方の観測が他方に「影響」を及ぼしているのではなく、単に元々決まっていた性質が観測によって明らかになっただけ、ということになります。
ベルの不等式と実験による証明
アインシュタインらの疑問に対し、物理学者ジョン・スチュワート・ベルは1964年に「ベルの不等式」という画期的な定理を発表しました。これは、もし「局所実在論」（物理量は観測前から確定しており、遠隔地への瞬時の影響は存在しないという考え）が正しければ、量子もつれ粒子間の相関にはある上限があるはずだ、ということを数学的に示したものです。逆に言えば、量子もつれ粒子間の実際の相関がこの上限を超えているならば、局所実在論は誤りであり、非局所性が実在するということになります。
その後、アラン・アスペなど多くの物理学者によって繰り返し行われた実験は、量子もつれ粒子間の相関がベルの不等式の破れを示し、局所実在論が成り立たないことを明確に示しました。これにより、量子力学の予測する非局所性は、単なる理論上の奇妙さではなく、実際に宇宙に存在する物理現象であることが確立されたのです。
非局所性が宇宙に示唆すること
非局所性の実在は、私たちの宇宙観に profound（深い）な示唆を与えています。
- 局所実在論の否定: 物理量が観測前に確定しているという「実在論」と、遠隔地への瞬時の影響がないという「局所性」の少なくとも一方が成り立たないことを示しています。多くの物理学者は、これにより「局所性」が否定された、つまり宇宙の基本的なレベルでは、距離を超えた繋がりが存在すると解釈しています。
- 宇宙の全体性: 宇宙を構成する最小単位である量子が、たとえ遠く離れていても本質的に繋がりを持っているということは、宇宙全体がバラバラの部品の寄せ集めではなく、より深いレベルで一つの「全体」として関連し合っている可能性を示唆します。
- 情報と物理的な実体: 非局所性は、情報が物理的な距離を超えて瞬時に伝わるかのように見えますが、これはエネルギーや物質、あるいは有用な情報を光速を超えて伝達できるという意味ではありません（これは相対性理論と矛盾しません）。しかし、この現象は、物理的な実体と情報、そして宇宙の基本的な構造における「観測」の役割について、改めて深い問いを投げかけています。
非局所性と未来技術
非局所性の研究は、単に宇宙の謎を解き明かすだけでなく、最先端の技術開発にも繋がっています。量子もつれを利用した「量子通信」は、盗聴不可能な暗号（量子暗号）を実現する可能性を秘めており、すでに実用化に向けた研究が進んでいます。また、量子コンピュータが従来のコンピュータでは解けない問題を効率的に解ける理由の一つとしても、量子の重ね合わせやもつれといった量子力学的な性質が深く関わっています。
探求の続くフロンティア
アインシュタインを悩ませた非局所性は、今なお物理学における最もミステリアスで魅力的な領域の一つです。それは、私たちの宇宙が、想像以上に深く、そして繋がっている可能性を示しています。非局所性が宇宙の構造にどのように組み込まれているのか、そしてそれが究極的には何を意味するのか、その探求は「量子宇宙の扉」を開き、私たちの知る宇宙の姿をさらに進化させていくことでしょう。