「無」は存在しません。その代わりに、「量子泡(quantum foam)」というものが存在します

2023年2月16日

「無」は存在しません。その代わりに、「量子泡(quantum foam)」というものが存在します

https://bigthink.com/hard-science/nothing-exist-quantum-foam/

主なポイント

・「無」という概念は、科学者や哲学者の間で千年以上にわたって議論されてきました。

・あらゆる物質が欠如した空の容器を絶対零度まで冷却したとしても、その容器にはまだ「何か」が存在しています。

・その何かは量子泡と呼ばれ、存在と非存在を繰り返す粒子を表しています。



「無」とは何でしょうか？これは、古代ギリシャの哲学者たちから遡ること、空虚の本質について議論されてきた問いです。彼らは何かが何もないことなのかを決定しようと、長い議論を重ねました。

この問いの哲学的側面は興味深いものですが、科学界もこの問いに取り組んでいます。（Big ThinkのEthan Siegel博士は、「無」という言葉の4つの定義について説明した記事を書いています。）

本当に何もないのか

もし科学者が容器を取り、そこから全ての空気を抜き取り、物質が完全に欠如した理想的な真空を作ったとしたら、どうなるでしょうか？物質の除去により、エネルギーだけが残ることになります。太陽からのエネルギーが空間を通じて地球に届くように、容器の外部からの熱が容器内に放射されます。したがって、容器は本当に空っぽではありません。

しかし、もし科学者が容器を最も低い温度（絶対零度）まで冷却し、一切のエネルギーを放射しないようにしたらどうでしょうか？さらに、科学者が容器を遮蔽して外部からのエネルギーや放射線が侵入できないようにしたとしましょう。その場合、容器の中には絶対に何も存在しないはずですね。

ここで事態が直感に反するものとなります。実は、「無」は何もないわけではありません。

「無」の本質

量子力学の法則は混乱を引き起こします。それによれば、粒子は波でもあり、猫は同時に生きていて死んでいるとも予測されます。しかし、その中でもっとも混乱を引き起こす量子原理の1つがハイゼンベルクの不確定性原理です。これは、基本的には、亜原子粒子の位置と運動を完全に同時に測定することはできないと説明されます。それが原理をうまく表現したものですが、さらに言えば、何かのエネルギーを完璧に測定することはできず、測定する時間が短ければ短いほど、測定結果は悪くなります。極限まで考えると、ほぼゼロの時間で測定しようとすると、測定結果は無限に不正確になります。

これらの量子原理は、「無」の本質を理解しようとする人にとって、驚くべき結果をもたらします。例えば、ある場所のエネルギーの量を測定しようとするとき、そのエネルギーが本来「無」とされていても、それを正確にゼロと測定することはできません。測定を行うと、予想されたゼロが非ゼロであることもあります。これは単なる測定の問題だけでなく、現実の特性でもあります。短い時間の間、ゼロは必ずしもゼロではありません。

この奇妙な事実（期待されるエネルギーが短い時間の観察では非ゼロである可能性がある）を、アインシュタインの有名な方程式E = mc2と組み合わせると、さらに奇妙な結果が得られます。アインシュタインの方程式は、エネルギーと物質が互いに関連していることを述べています。量子理論と組み合わせると、エネルギーが完全に空でエネルギーがないはずの場所でも、一時的に非ゼロのエネルギーに変動することがあり、その一時的なエネルギーが物質（および反物質）の粒子を生み出す可能性があるということです。

量子フォーム

したがって、微小な量子レベルでは、空虚な空間は空ではありません。実際には、小さな亜原子粒子が無秩序に現れたり消えたりする活気に満ちた場所です。この現れと消える様子は、新しく注がれたビールの泡のような活発な振る舞いに表面的な類似性があります。泡が現れたり消えたりする様子から、「量子泡」という言葉が使われています。

量子泡は単なる理論的なものではありません。それは非常に現実的な存在です。これを示す一つの実証例は、研究者が電子のような亜原子粒子の磁気特性を測定するときです。もし量子泡が実在しないのであれば、電子はある強さを持つ磁石であるはずです。しかし、測定が行われると、実際には電子の磁力はわずかに高くなります（約0.1%）。量子泡の影響を考慮すると、理論と測定結果は完全に一致します。その精度は12桁にわたります。

量子泡の別の実証例は、オランダの物理学者ヘンドリック・カシミールにちなんで名付けられたカシミール効果によって示されます。この効果は次のように説明されます：2枚の金属板を取り、真空中で非常に近接させ、わずかなミリメートルの間隔で分離します。もし量子泡の考えが正しいならば、板の周囲の真空は存在と非存在を繰り返す亜原子粒子の見えない活発な動きで満たされているはずです。

これらの粒子は様々なエネルギーを持っており、最も確率が高いエネルギーは非常に小さいですが、時折より高いエネルギーが現れます。これがより馴染みのある量子効果が働く場所です。なぜなら、古典的な量子理論によれば、粒子は粒子でありながら波でもあるとされています。そして波には波長が存在します。

微小な隙間の外では、制約なくあらゆる波が収まることができます。しかし、隙間の内部では、隙間よりも短い波長のみが存在することができます。長い波は単純に収まりません。そのため、隙間の外側にはあらゆる波長の波が存在し、一方、隙間の内部には短い波長のみが存在します。これは基本的には、内部よりも外側にはより多くの種類の粒子が存在することを意味し、その結果、内側に向かって圧力がかかります。したがって、もし量子泡が実在するのであれば、金属板は押し合わされることになります。

科学者たちはカシミール効果をいくつかの測定で確認しましたが、それは2001年に私がここで説明したジオメトリを用いて効果が決定的に実証された時でした。量子泡による圧力は、板を動かす原因となります。量子泡は実在するのです。結局、何もないことも何かなのです。


翻訳：GPT


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