アインシュタインの「不気味な遠隔作用」への疑念、ベルの不等式実験で証明された量子もつれの正体

物理学の歴史において、アインシュタインは量子力学の誕生に寄与した人物であると同時に、その発展の方向に疑問を投げかけた人物としても記録されている。1900年にマックス・プランクがエネルギーは一定の単位に分けられて交換されるという概念を提案すると、アインシュタインはこれを光に適用し、Photonという概念を確立した。彼は光が連続的な波動であるだけでなく、エネルギーを持つ小さな塊のように振る舞うという点を利用して光電効果を説明し、この研究によってノーベル物理学賞を受賞した。

アインシュタインの「局所実在論」とEPR逆説

量子力学が確率的な解釈に基づいて発展すると、アインシュタインはこれに反旗を翻した。1920年代にハイゼンベルクとシュレーディンガーが数学的な枠組みを作り、マックス・ボーアが結果を確率として解釈し始めたとき、アインシュタインは測定前から物理的な値が決まっているべきだと信じていた。彼は1935年、ボリス・ポドルスキー、ネイサン・ローゼンと共に「EPR論文」を発表し、量子力学が自然を完璧に説明しているのかについて疑問を呈した。

アインシュタインが主張した論理の背景には、二つの前提がある。第一は、ソウルで起きたことがニューヨークに即座に影響を与えることはできないという「局所性」であり、第二は、測定前であっても粒子が物理的な値を実際に持っているという「実在論」である。これらを合わせて「局所実在論」と呼ぶ。彼は、遠く離れた二つの粒子がまるで一つであるかのように繋がって現れる現象に対し、「不気味な遠隔作用」という表現を用いて拒絶感を示した。

ベルの不等式と「隠れた変数」への実験的検証

シュレーディンガーは、遠く離れた二つの粒子が一つの状態として説明される関係を「量子もつれ」と命名した。もつれた粒子たちは、測定の方向によって異常なほど強い相関を示すが、アインシュタインは粒子が出発する時から答えをあらかじめ持っていたはずだとする「隠れた変数理論」を提示した。デヴィッド・ボームは、これにSpinの概念を導入して単純化し、理論的な枠組みを整えた。

この哲学的な論争を実験の領域へと持ち込んだ人物が、ジョン・ベルである。1964年、彼はもしアインシュタインの主張通りに粒子が予め答えを決めていて独立して存在するのであれば、実験結果が越えることのできない数学的な限界である「ベルの不等式」を見出した。量子力学はこの限界を超える結果（約2.83まで可能）を予測していたため、実験を通じてベルの不等式の限界を超える結果が出れば、量子力学の成立を立証することができた。

アラン・アスペの精緻な実験、量子もつれの相関関係を立証する

1970年代以降、物理学者たちはベルのアイデアを実験で確認するために努力した。1972年、ジョン・クラウザーらはPhotonを利用してベルの不等式を試験し、量子力学が予測する結果に近い数値を得た。その後、フランスの物理学者アラン・アスペは、より精緻な実験を遂行した。彼はカルシウム原子にレーザーを照射して、もつれたPhotonのペアを作る装置を開発するために5年を投じた。

1981年と1982年にわたるアスペの実験結果は、ベルの不等式の限界を超えて量子力学を支持する数値を示した。特にアスペは、Photonが出発した後に測定条件を変える実験のために「音響光学変換器」を活用した。超音波を通じて光の進行方向を10ナノ秒単位で素早く変えることにより、粒子が出発する時に測定条件と関連している可能性を遮断し、改めて量子力学の予測が正しいことを確認した。