反逆の物理学者が量子の謎にエレガントな解決策を提示

アンジェイ・ドラガンはルールに従うタイプではない。写真家として、彼は徹底的なポストプロダクションを駆使し、制御不能に陥った世界が不穏な形で描かれる様を捉える。頭が真っ二つに割れたり、血を流す花嫁、そして亡くなった著名人が老齢期に蘇ったりする様子など。

しかし、ポーランドのワルシャワ大学で物理学者として働くドラガン氏の本業においては、型にはまった考え方に反対することは必ずしも歓迎されない。特に、そうした考え方が、私たちの世界観を根本的に支える二つの柱、すなわち一般相対性理論と量子力学を揺るがす可能性がある場合はなおさらだ。

これらの理論は現代物理学の最高峰の成果であり、自然を精緻に、しかし個別に記述しています。一般相対性理論は宇宙の大きな物体や事象を扱い、量子力学は私たちを取り巻く目に見えない不思議なミクロの世界を扱います。そこでは、素粒子が本来通り抜けるはずのない障壁をトンネルのように通り抜けたり、数千光年離れた二つの粒子が互いの運動に瞬時に反応したりします。

ほとんどの場合、この設定はうまくいきます。巨大な星の重力が光をどのように曲げるかを調べるなら、一般相対性理論の教科書を取り出すだけで済みます。また、電子がコンピューターチップ内をどのように移動するかを理解したいなら、頼りになる量子物理学のハードカバー本が手元にあると便利です。しかし、その両方が必要な場合もあります。例えば、ビッグバンの最初の瞬間に何が起こったのか、ブラックホールの中心で何が起こっているのかを理解しようとする場合などです。

こうした状況において、明白な問題が浮かび上がってくる。それは、一般相対論と量子力学が完全に両立しないように見えるということだ。滑らかで連続的な宇宙を記述する一般相対論は、離散的で塊状の量子物理学の宇宙と矛盾する。両者の方程式を合わせると、ナンセンスな結果になる。

これらを調和させるために、物理学者は一般的に量子力学が自然界の真の記述であると仮定し、相対性理論を微調整してそれに一致させようとします。このアプローチは、弦理論のような豊かで複雑なアイデアを世界にもたらしました。しかし同時に、物理学者たちは巨大な方程式を現実に一致させることができず、フラストレーションを感じています。ドラガンはこの問題に別の角度から取り組み、相対性理論というレンズを通して自然を記述しようと試みています。

アインシュタインが量子の世界と相対性理論の関連性について初めて考察し始める数十年前から、特殊相対性理論（アインシュタインが一般相対性理論に加速度理論を加える前の、空間と時間を記述する最初の理論）と量子力学の関連性は既に確立されていました。実際、物質の構成要素がどのように相互作用するかについての現代の理解の基礎となっている量子場理論は、量子力学と特殊相対性理論を統合しています。しかし、この統合は、両者をより大きなパズルを構成する独立した別々のピースとして捉える方法で行われています。

ドラガン氏は、このつながりはより深いところまで来ているはずだと考えていた。「これは単に量子場理論の一部というだけでなく、もっと深い意味を持つのです」と彼は言う。「量子論は、相対性理論が許すことをまさに実現し、それ以上のことをしていると言えるでしょう。」

この考えに沿って、ドラガンは2008年に数学の探究を始めました。彼は特殊相対性理論の方程式が2つの解の分岐を可能にすることを思い出しました。1つは物質が光速以下で移動する馴染みのある世界への分岐、もう1つは物質が常に光速以上で移動する世界への分岐です。

光速よりも速く移動できるという物理的な証拠がないため、光速を超える解は常に捨て去られます。しかし、数学的にはこれらの解は依然として有効です。そこでドラガンは、光速を超える解をそのままにして、何が起こるかを見てみたらどうだろうと考えました。そして実際にそうしたところ、量子理論家にとってより馴染みのある世界を発見したのです。

この世界では、粒子は明確に定義された軌道を辿るのではなく、その運動を捉えるのが難しく、量子物理学における重ね合わせのように、様々な結果に対応する複雑な確率の層によって記述されます。さらに、この世界で物理学者がこの粒子の特定の特性を複数回測定しようとしても、毎回同じ結果が得られるわけではありません。量子力学と同様に、結果はランダムになることもあります。

本質的に、ドラガンは特殊相対論に支配された世界では、直感に反する量子効果を根本的なものとして受け入れる必要がないことを示した。言い換えれば、特殊相対論の方程式の奇妙な「非物理的」部分を組み込むことで、明らかにランダムで、かつ明らかに量子的な現象が自然に出現するのだ。

数ヶ月後、ドラガンは発見の重大さを悟り、これらの考えと計算を論文にまとめ、科学誌に投稿した。しかし、原稿は二度も却下された。「これには完全に失望しました」と彼は言う。「『もう気にしない、この論文はもう放っておこう』と思ったのです」

ドラガンは失望から立ち直り、量子コンピューティングの一分野である相対論的量子情報研究に意欲的に取り組んでいました。そんな2010年、アルトゥール・エケルトから一通のメールを受け取り、相対論と量子力学への思いが一気に蘇りました。エケルトは量子情報研究の第一人者であり、量子暗号のパイオニアでもあります。ポーランドとイギリスの二重国籍を持ち、オックスフォード大学とシンガポール国立大学で教授職を兼任しています。そのメールは、ドラガンをシンガポールに招き、それぞれの研究の関連性について議論するものでした。

エケルト氏とドラガン氏は、すぐに知的な親和性に気づき、数回の訪問を通じて友情を育み、数学パズルで互いにからかうのと同じくらい量子アルゴリズムについて話すのも気楽な関係になった。

ドラガンが特殊相対論から量子ランダム性がどのように生じるのかというアイデアをついに共有したとき、エケルトは熱心に協力した。「素晴らしいと思いました」と彼は言う。それまでドラガンは、空間と時間が1次元しかないおもちゃの世界でしかアイデアを探求していなかった。エケルトはドラガンを励まし、さらに探求し、それが4次元時空という現実の世界でもまだ機能するかどうかを検証するよう支援した。

「二人のジャズ奏者が時々会って一緒に演奏するような感じだ」とエカート氏はシンガポールでの二人の出会いについて語る。2019年の夏、ドラガン氏とエカート氏は新たな理論をまとめた論文を執筆した。

拒絶された記憶が脳裏を駆け巡る中、ドラガンはニュー・ジャーナル・オブ・フィジックスへの投稿を前に、エケルトに論文発表を辞退する最後の機会を与えた。「評判を落とすのが怖くないのか？」とドラガンは尋ねた。エケルトはぶっきらぼうに答えた。「評判なんてどうでもいい」

ドラガン氏のこれまでの単独論文とは異なり、この論文はジャーナルの査読者を何の苦もなく受け入れ、最初の審査を通過した。2020年の発表と同時に話題となり、3万回以上ダウンロードされ続けている（昨年同誌に掲載された論文の中では圧倒的に多い）ものの、二人は科学的見解の裁判所に真剣に受け止めてもらうために（そして今もなお）苦戦を強いられている。

ドラガンとエケルトのアイデアに即座に魅了された物理学者の一人が、量子情報科学者のヴラトコ・ヴェドラルだ。ヴェドラルは論文を読んだ後、かつてエケルトに非公式の博士課程の指導教官を務めていた。彼はドラガンをオックスフォード大学のグループに招き、オンライン講演を行った。「大きな反響を呼びました」と彼は言う。「このアプローチの良いところは、私たちはしばしば量子力学を他のあらゆるものに押し付けようとします。どうすれば相対性理論を量子力学に従わせることができるでしょうか？しかし、彼らはそれをひっくり返そうとしているのです。」

しかし、型破りな考えに耳を傾けるヴェドラルがいる一方で、量子物理学を最優先に考えないアプローチには疑念を抱く人も少なくありません。この物理学分野には、突飛な非物理的な概念を唱える狂信者が蔓延しているだけでなく、量子物理学の心を揺さぶる要素はもはや説明不可能であるという考えが、このコミュニティに深く根付いています。まさに、そうなのです。

この陣営の批評家たちは、ポーランド人二人が結論に至るために用いた仮定と手法の両方に疑問を呈している。例えば、ドラガンが弦理論の創始者の一人であるホルガー・ニールセンとこれらの考えを議論した際、ニールセンは主に、光速を超える物質は不安定であり、したがって非物理的であるという批判を行った。匿名を条件に申し出た別の理論物理学者は、二人が物理学を観察する視点を変えるような数学を用いて、その根底にある物理学そのものを変えようとしていると考えたが、それは決してあってはならないことだ。

しかし、多くの場合、こうした批判は2つの点に集約されます。1つは、光速を超える速度で移動する物体を誰も観測していないこと、もう1つは、もしそのような速度で移動する物体が存在するならば、タイムトラベルは可能であるということです。タイムトラベルは、いわゆる因果パラドックスを引き起こします。最も有名なのは「祖父のパラドックス」です。これは、過去に戻って祖父を殺した場合、自分自身の誕生が不可能になるという考えです。

ドラガン氏とエケルト氏は、これらの批判は要点を見落としていると主張する。「光より速く移動する物体が存在すると言っているわけではありません。存在する可能性はありますが、それは私たちの議論には関係ありません」とエケルト氏は言う。「私たちが言っているのは、光速を超えた視点から世界を見ることができるということです。」

この光速を超える視点から見ると、原因と結果の順序を入れ替えることができます。これは重要な結果です。なぜなら、宇宙の速度限界を超えて出来事が展開するのを観察している場合でも、下回っているのを観察している場合でも、根底にある物理法則は同じままであるはずだからです。そして、もしこれが真実であれば、事象の順序はもはや理論において根本的な役割を果たさないと、2人は主張しています。

ドラガン氏は、これらすべては、説明すべきパラドックスが全く存在しないことを意味すると述べている。「注意深く観察すれば、因果律が変化していることに気づくでしょう。しかし、完全に破壊されるわけではなく、量子論が示唆する通りに修正されるのです。」

ドラガン氏とエケルト氏は共に、この論文が物語の終着点には程遠く、特殊相対論から量子論を真に導出できるかどうかは分からないと認めている。しかし、もし導出できれば、特殊相対論の兄貴分である一般相対論と量子力学を調和させる研究者のアプローチを一変させるだろう。「もし量子力学が相対論から導かれると私を納得させられるなら、私の理論における根本的な実体が何なのかを再考する必要があるかもしれません」とヴェドラル氏は言う。「そして、一般相対論の量子版への道は、全く異なるものになるかもしれません。」

新型コロナウイルス感染症が世界を混乱に陥れていなければ、ドラガンとエケルトは今頃シンガポールでこの研究に取り組んでいただろう。しかし今のところは、従来の慣習に反対することで、現代物理学における最も厄介な問題の一つを解決するための代替手段を見つけることへの関心が再び高まったことを、彼らは喜んでいる。「もちろん、まだ研究はたくさん必要ですが、この論文の良いところは、退屈ではないということですよね？」とエケルトは言う。「いずれにせよ、人々の感情を呼び起こし、さらなる研究の糸口となるでしょう。」

この記事はWIRED UKで最初に公開されました。