実験による決着

1964年のベルの論文は、実はほとんど誰にも読まれなかった。ベルの本業はCERNでの加速器の理論計算で、この研究はいわば休暇中の趣味。しかも掲載されたのは創刊まもない無名の雑誌だった。「解釈問題に関わると経歴が終わる」と言われた時代でもあったしね。それを掘り起こしたのが、アメリカの若手物理学者ジョン・クラウザーだ。彼は1969年、同僚たち（ホーン、シモニー、ホルト）とともに、ベルの不等式を実際の装置で測りやすい形に改良した。頭文字をとってCHSH不等式と呼ばれる、私たちが導いた不等式のいとこ分だよ。こちらは、4通りの角度の組み合わせで測った相関を決まったやり方で足し引きした量を S と呼び、「局所実在論なら必ず S ≤ 2」という形をしている。私たちの不等式で「食い違い率は 1/2 を超えられないはず」だった線引きが、CHSH では「S は 2 を超えられないはず」に置き換わっただけで、意味していることは同じだ。本物の実験では、測りやすいこちらの形がよく使われる。

面白いのはね、クラウザー本人はアインシュタイン側が勝つと予想していたことなんだ。量子力学の底が抜けるところを見てやろう、という動機で実験に挑んだ。1972年、彼はフリードマンとともに、カルシウム原子が光を放つときに生まれるもつれ光子ペアを使って、史上初のベル実験を行った。200時間を超える測定の結果は――不等式は破れていた。食い違い方は、量子力学の予言とぴったり一致。挑戦者の期待に反して、自然は量子力学に軍配を上げたんだ。

いい弁護だね。それはプロの物理学者たちが局所性の抜け穴と呼んだ、正真正銘の弱点だよ。これを塞いだのがフランスのアラン・アスペだ。1982年、彼のチームは約13メートル離した2台の測定装置の設定を、光子が飛んでいる最中に、数十ナノ秒（1ナノ秒は10億分の1秒）という速さで切り替えた。光子が光源を出発した時点では、どの角度で質問されるかまだ決まっていない。決まるのは光子の飛行中で、その情報が光速で反対側に走っても、相手の測定には間に合わない。つまり「角度の前バレ」は物理的に不可能になった。結果は――それでも不等式は破れた。測定値はS＝2.404±0.080。局所実在論の限界は2、量子力学の予言は2.448。誤差の範囲でぴたりだ。（同じ1982年に、設定を固定したまま精度を上げた実験も行われていて、そちらは S＝2.697±0.015 という、さらにくっきりした破れを出している。）

それが第二の弱点、検出の抜け穴だ。きみは今日だけで、20世紀の懐疑派が数十年かけて絞り出した反論を2つとも再発見したことになるね。この抜け穴との戦いは長引いたが、2015年、ついに決着の年が来る。オランダ・デルフト工科大学のチームは、光子ではなくダイヤモンド中の電子のもつれを使った。電子は逃げないから、測定はほぼ100%成功する。しかも2つの電子は1.3km離れたキャンパスの両端に置かれ、局所性の抜け穴も同時に塞いだ。同じ年、アメリカNISTとウィーンのチームも、超高効率の光子検出器で同様の「抜け穴なし実験」を達成した。3つの独立な実験の結論はすべて同じ。不等式は、破れる。

そのとおりだよ。それが第三の抜け穴、自由選択の抜け穴だよ。実験家たちの返答が面白くてね。2017年には、角度の選択を数百光年離れた恒星の光の色に委ねる実験が行われた。共謀を疑うなら、数百年前に星を出発した光まで仕込みに参加していたことになる。より遠いクエーサーを使った版では、仕込みは数十億年前まで遡る。2018年には、世界中の約10万人が気まぐれにボタンを連打して設定を決める実験まで行われた。結果はすべて同じ――不等式は破れ続けた。ただし正直に言うと、この抜け穴だけは論理的には完全に塞げない。「宇宙の初期条件の時点で、星の光も光子源もきみの指の動きも、すべて調整済みだった」と主張する超決定論は、原理的に反証できないんだ。その代わり代償が重い。その調整がなぜ量子力学の統計をぴったり再現するのかの説明がないし、何より「実験のサンプルは信用できる」という科学の方法論そのものが崩れてしまう。だから大多数の物理学者はこの道を選ばない。この最後の逃げ道の話は、最終ステージでもう一度出てくるよ。……ともかく、塞げる抜け穴はすべて塞がれた。この一連の検証に対して、2022年、ノーベル物理学賞が贈られた。受賞者はクラウザー、アスペ、ツァイリンガーの3人だ。

オーストリアのアントン・ツァイリンガーは、検証と並ぶもう1つの流れ――もつれを道具として使う研究を切り開いた人だ。3個以上の光子のもつれを作り、量子テレポーテーション（もつれを使って量子状態を別の場所の粒子に移す技術）を実証し、カナリア諸島では144km離れた島の間でもつれを飛ばした。ウィーンでの2015年の抜け穴なし実験も彼のチームだよ。ベルの不等式は、彼らの手で「量子力学の検証手段」から「新技術の品質保証書」へと役割を広げていった――その話は最終ステージでしよう。ともかく、判決は確定した。局所実在論は、自然の姿ではなかった。では、実在性と局所性、いったいどちらを手放せばいいのか？ 「月」はどうなるのか？ 最後のステージで旅を締めくくろう。