What is the connection between quantum relationality and symmetry-based relationality?

物理学は長らく、異なる言語を話しているかのように見える二つの陣営に分かれてきました。一方には、粒子が同時に複数の状態で存在し得、観測するという行為が対象の状態を変えてしまうように見える、極微の世界のルールブックである量子力学があります。もう一方には、空間と時間が柔軟であり、物体の位置は何かと比較して初めて意味を成す、重力と極大の世界の理論である一般相対性理論があります。数十年にわたり、物理学者たちは両方の理論が「関係性」という概念に強く依存していることに気づいてきました。つまり、性質とは宇宙に関する絶対的な事実ではなく、物事の間の関係であるという考え方です。重力の世界では、ある物体の位置は、時計やランドマークのような参照点なしには無意味です。量子界においても、粒子の状態はしばしば、それを測定する者が誰であるかに依存します。しかし、この「関係性」への共通の依存にもかかわらず、二つの理論は頑固に分離したままであり、彼らの用いる「関係性」が実際に同じものなのか、それとも単なる語彙の偶然の一致なのかは不明なままでした。

エミリー・アドラムによる新しい論文は、大胆な統一を提案しています。それは、量子力学における関係的な性質は、亜原子の世界における奇妙で独特な癖ではなく、実は相対性理論に見られるのと全く同じ現象であるというものです。著者は、量子状態が観測者によって変化するように見える理由は、それが方向や位置と同じように、本質的に相対的な性質を記述しているからだと示唆しています。この見方によれば、量子状態とは粒子の絶対的な現実の記述ではなく、その粒子が特定の参照系に対してどのように立っているかという記述なのです。それはまるで、方位磁石の針が周囲の磁場と比較されることで初めて意味を持つのと似ています。もしこの考えが正しければ、それは量子物理学の最も深い謎、特に、可能性の世界からどのようにして一つの確定した現実が立ち現れるのかという混乱を極めたパズルを解消できる可能性があります。

この議論を理解するには、まず二種類の物理量における違いを把握する必要があります。物理学において、いくつかの事実は絶対的で不変ですが、他の事実は「部分的」です。「部分的観測量」とは、測定可能ではあるものの、参照点と結びついて初めて意味を成す量のことです。例えば、車が時速60マイルで走行していると言うのは部分的観測量です。それは道路に対してのみ真となります。速度そのものは、孤立した状態の車の固定された性質ではありません。対照的に、「完全な」観測量とは、特定の瞬間の特定の木から車までの距離のように、完全で自己完結した事実のことです。相対性理論において、物理学者は、我々は常に部分的観測量しか測定できないことを古くから知っています。絶対的な速度や絶対的な方向を測定することはできず、我々は物事が我々の測定道具とどのように関わっているかしか測定できないのです。

アドラムはこの相対性理論における確立された事実を取り上げ、それを量子領域に適用しています。彼女は、我々がこれまでに記述または測定してきたあらゆる量子状態は、部分的観測量を記述しているのだと主張しています。物理学者が粒子のスピンに関する量子状態を書くとき、彼らは宇宙におけるスピンの絶対的な方向を記述しているのではありません。代わりに、彼らは測定装置によって定義された特定の軸に対するスピンの向きを記述しているのです。論文は、有名な「ウィグナーの友人」のパラドックス（二人の観測者が、粒子が単一の状態に崩壊したか、あるいは重ね合わせの状態に留まっているかについて意見を異にする思考実験）は、単に二人の観測者が異なる参照軸を使用しているために生じると示唆しています。一人の観測者は自身の実験装置に対して粒子を記述しており、もう一人は異なるフレームに対して記述しているのです。著者は、両者が単に異なる関係を報告しているに過ぎないため、そこには矛盾はないと論じています。

論文はこの主張を、対称性の変化に伴う性質（視点を回転させたり移動させたりすると変化する性質）の量子状態は、常に相対化されなければならないことを示すことで構築しています。もし参照系なしに量子状態を記述しようとすれば、その記述は乱雑で一貫性を欠いた混合物となり、粒子に関する具体的な情報をすべて失ってしまいます。しかし、一度、磁石によって定義される特定の方向のような参照系を導入すれば、量子状態は明確で一貫した形へと収束します。著者は、他の研究者によって開発された枠組みを用いて、二つの系の間の関係は確定した非重ね合わせの事実であるが、他方の系に対する一方の系の状態は重ね合わせの状態であるように見える、という状況が数学的に一貫していることを実証しています。これは、「奇妙な」量子重ね合わせが、現実そのものの特徴ではなく、参照点に対する物事の記述方法の特徴である可能性があることを意味しています。

この視点は、量子系が多くの可能性の中にありながら、なぜ我々が一つの結果を目にするのかという、長年の難問である「観測問題」に対する新鮮な見方を提供します。標準的な量子力学では、重ね合わせの状態から単一の結果への遷移は、しばしば波動関数の「崩壊」として記述されますが、これは数学的に突発的で物理的に不可解なプロセスです。アドラムは、この崩壊は突然の魔法のような出来事ではなく、部分的観測量と参照系の間の相互作用の自然な帰結であると示唆しています。量子系が測定装置と強く相互作用するとき、その系はもはや単なる相対的な性質の集合体ではなく、線形な量子進化の規則を破るような形で参照フレームと絡み合います。「崩壊」とは、系を参照フレームから独立したものとして扱う近似が破綻する瞬間なのです。

この論文は、観測問題を完全に解決したと主張しているわけではありません。いつ崩壊が起こるかを正確に予測する新しい方程式を提示しているわけでも、相対的な量子世界と絶対的な古典世界を結びつける物理的なメカニズムの完全なモデルを提示しているわけでもありません。むしろ、解決策は、量子力学は部分的観測量にのみ適用される一方で、我々が見ている確定した結果は完全な観測量である、と認識することにあると示唆しています。著者は、我々は部分的観測量しか測定できないため、完全な観測量の量子状態を実際に見たことは一度もないのだと論じています。二箇所に同時に存在できるといった量子力学の奇妙な振る舞いは、相対的で対称性の変化を伴う量にのみ適用されるのです。確定した単一の結果とは、これらの相対的な量が参照系と結びついたときに現れる、不変で完全な事実なのです。

量子的な関係性と相対論的な関係性が同一であると提案することで、この論文は一世紀もの間、物理学を隔ててきた溝を埋めています。それは、宇宙は絶対的で独立した物体によって構成されているのではなく、関係性によって構成されていることを示唆しています。量子状態は粒子の魂のスナップショットではなく、観測者に対するその立ち位置の記述なのです。この見方は、我々に客観的な現実という概念を放棄することを求めるものではなく、むしろ、その現実を「つながりのネットワーク」として再定義するものです。論文は、これらのつながりがどのように形成され、どのように壊れるかを完全に記述するにはさらなる研究が必要であるが、進むべき道は、絶対的な量子状態を探すことではなく、我々が実際に測定可能な、特定の関係的な性質を理解することであると結論付けています。そうすることで、この論文は、なぜ量子界がこれほど奇妙に見えるのかについて、静かで論理的な説明を与えています。それは、私たちが相対的なものを絶対的なものとして記述しようとしているからこそ、奇妙に見えるのです。