量子の世界では「観測」を打ち消すと時間が巻き戻る
量子の世界では、粒子を「観測する」という行為そのものが、とても特別な意味を持ちます。
日常の感覚では、「見る」だけなら何も変わらないはずです。
りんごやコーヒーを見つめても、それ自体は変化しません。
けれど量子の世界はそうではありません。
観測という行為そのものが、対象にほんの少し変化を与えてしまうのです。
しかも、量子の世界の変化には、もうひとつ厄介な性質があります。
揺らぎです。
まったく同じ条件で、まったく同じ量子の粒に、まったく同じ観測をしたとしても、毎回同じ結果が出るとは限りません。
サイコロを振るように、結果がばらつくのです。
これは観測の腕が悪いからではなく、量子の世界そのものに備わった、根本的な性質です。
ただし、サイコロと同じで、何十回、何百回と振り続けると、話が変わってきます。
一回一回はバラバラでも、結果を積み重ねていくと、そこにゆるやかな偏りが見えてくる。
「こっちの目が出やすい」「こういう順番で変化しやすい」という、統計的なパターンです。
ガルシア＝ピントス氏らの研究グループが着目したのは、まさにこのパターンに「向き」があるという点でした。
どういうことか、もう少しかみ砕いてみましょう。
観測を何度も繰り返してデータを並べると、量子のシステムは「だいたいこういう方向に変化していく」という自然な流れを見せます。
その流れに沿っている記録と、その流れに逆らっている記録を比べると、どちらが自然に起きた記録なのか、統計的に判別できるのです。
前のページで、コーヒーの熱が散らばっていく向きが「時間の矢」だという話をしました。
それと同じ発想です。
量子の世界でも、観測結果のパターンが自然に流れていく向き——それが「時間の矢」にあたります。
言い換えれば、観測結果の偏り方を調べることで、時間がどちらに進んでいるかを判定できる、というわけです。
そして研究チームは、この判定をひっくり返す方法を見つけました。
具体的には、観測によって量子のシステムに起きた変化を、あとから逆向きの操作で打ち消してやるという手法でした。
たとえば、ある部屋に机があって、その上に紙が置かれています。
あなたがその紙をよく見ようと近づいた拍子に、自分の身体が起こした風で紙がヒラリと床に落ちてしまいました。
これが「観測による変化」にあたります。
見ようとした行為そのものが、対象を動かしてしまったのです。
ふつうなら、落ちた紙は落ちたまま。
時間はそのまま先へ進んでいきます。
ところがあなたが瞬時にその紙を拾い上げて、元の場所にそっと戻してやったらどうでしょう。
部屋の様子は、紙が落ちる前の状態に「戻った」ことになります。
ガルシア＝ピントス氏たちがやっているのは、これとよく似た操作です。
観測によって起きてしまった小さな変化を、こちらから逆向きの力を加えることで打ち消す。
そしてその打ち消し方の強さを細かく調節すると、時間の矢が変わってくることがわかったのです。
「結局、自分で紙を拾って戻しているだけじゃないか?」
「それで時間の矢が戻るわけがない！」
「インチキじゃないか？」
と思う人もいるでしょう。
確かに部屋全体を外から眺めれば、紙は元に戻っていても、人間が動いた分の汗やエネルギー消費がそこに残っています。
宇宙全体では何も巻き戻っていません。
ポイントは、研究チームがそもそも「宇宙を巻き戻した」とは主張していないところにあります。
彼らが示したのは、「部屋の中の紙だけに注目したら、紙は落ちる前の状態に戻っているように見える」というイメージです。
そして量子の世界では、この「紙だけに注目したときの戻り方」が、時間の矢を測る指標の上では本物の時間逆行と見分けにくくなる、という驚きの性質が出てくるのです。
もう少し踏み込んで言うと、量子の世界では特定の条件のもとで、「観測で起きた変化」と「打ち消し操作で戻した変化」が、まったく同じ種類の変化として振る舞うことが示されました。
普通の世界なら、落ちた紙と拾い上げた紙には「落ちた経歴」がどこかに残ります。
紙にほこりが付いたり、床に跡が残ったり。
ところが量子の世界では、少なくとも時間の矢を測る指標だけを見る限り、その経歴が見分けにくくなることがあります。
だから外から見ている人には、その指標の上では「これは時間が逆に流れている映像だ」と言われても、反論する手がかりがなくなってしまうのです。
研究チームが発見したのは、打ち消しの強さを変えることで、時間の矢の長さや向きまでもが変わってしまうということでした。
打ち消しの強さを控えめにしておけば、時間の矢はいつもどおり前向きに進みます。
打ち消しを少し強めていくと、時間の矢はだんだん短くなっていきます。
前には進んでいるけれど、進み方がゆっくりになっていく感じです。
さらに強めると、矢の長さがほとんどゼロになります。
前向きとも後ろ向きとも言えない、宙ぶらりんの状態です。
そしてもっと強く打ち消すと——ついには矢が平均的には逆向きに反転するのです。
この仕組みを、研究チームを率いるガルシア＝ピントス氏自身は次のように語っています。
「もし観測によってシステムが上に動こうとしていたら、私たちはそれを下に動かすことができます。観測の効果に反対の力を加えてやれば、時間が前に進むのではなく後ろに進んだかのような、そんな軌跡を作り出せるのです」
実はこの発想、19世紀の物理学者ジェームズ・クラーク・マクスウェルが考えた有名な思考実験「マクスウェルの悪魔」の量子版と言えるものです。
気体分子の動きを賢く見分けて操作することで、バラバラさを減らしてしまう架空の存在——その”悪魔”を量子の世界で実装したのが、今回の仕組みにあたります。
論文の著者たちも、自分たちの提案を「マクスウェルの悪魔の現代版」と明確に位置付けています。
では、この仕組みからどうやって量子電池ができるのでしょうか。
