環境という巨大な検出器

前回予告した最強の相手と、今日は正面から向き合おう。実験装置ではなく、実験室の外の世界――環境だ。舞台を用意する。目に見えないほど小さな塵粒子を、左と右の2か所の重ね合わせにしたとしよう。腕のいい実験家なら本当に作れる状態だよ。そこへ光子が1個だけ飛んできて、塵に当たって跳ね返る。さて、何が起きるかな。

その通り。散乱は目印製造機なんだ。筋書きの終わり方が、散乱光子の分だけ分かれる。筋書き1「塵は左、光子は左寄りの状態」、筋書き2「塵は右、光子は右寄りの状態」。光子の2つの状態が直交に近ければ、塵の縞はほぼ消える。ただし、ここで「不完全な検出器」の話が効いてくるよ。光子1個の目印としての性能は、光子の波長で決まる。波長が左右の間隔より長い光子は、ぼやけた目しか持たないんだ。跳ね返り方の違いがごくわずかで、2つの状態はほとんど重なったまま。手がかりは不完全で、縞はほんの少ししか薄まらない。

そこが桁の恐ろしさだよ。空気中では、塵粒子に空気の分子が毎秒およそ10¹⁸回ぶつかる。1回の衝突で縞の濃さがほんのわずか――仮に1%だけ――減るとしよう。10回ぶつかれば約10%減。では10¹⁸回では、どうなると思う？

理論計算の答えを教えよう。空気中の小さな塵粒子の場合、縞が消えるまでの時間はおよそ10⁻³¹秒。物理学者のヨースとツェーが1985年に見積もった数字だ。宇宙の年齢が約10¹⁷秒だから、どれほど桁外れの速さか分かるね。ここで用語を2つ渡そう。矢印を足せる資格が保たれていることをコヒーレンス、環境へ手がかりが漏れてその資格が壊れていくことをデコヒーレンスと呼ぶんだ。

そう、環境は誰も読まない、そして誰にも消せない検出器だ。読みにくさは問題にならない――ルールが問うのは「手がかりが世界に残ったか」だけで、「読みやすいか」ではないからね。消しゴムが効かない理由も同じだ。散乱した光子と空気分子を1個残らずつかまえて、全部に斜めの質問をする――それができない限り、＋と−の仕分けは永遠にできない。手がかりは宇宙へ、光速で逃げていく。

いい質問だ。電子は小さすぎて、環境とほとんど衝突しないからだよ。デコヒーレンスの速さは、物体が大きいほど、環境が濃い（分子や光子が多い）ほど、桁違いに速くなる。だから実験家は真空にして、冷やして、小さい粒子を使う。実際、炭素原子60個でできたサッカーボール型の大きな分子（C60）でも、超高真空なら縞が出せた。そしてその仲間の、炭素原子70個のラグビーボール型の分子（C70）を熱してやると、分子が自分から光を放ち始めて、縞は消えた。放った光が経路の手がかりを運び去ったからだ。2004年にウィーンで行われた実験で、消え方はデコヒーレンス理論の予言どおりだったよ。

いい復習だ。判定基準は、板も光子もまったく同じ――「相手の写真2枚が、どれだけ見分けられるか」だよ。違うのは、答えの桁なんだ。光子や空気分子は軽くて自由に飛んでいる相手で、わずかな蹴りでも飛ぶ方向がはっきり変わるから、写真はそれなりに見分けられる。そのうえ毎秒10¹⁸回もぶつかる。一方、重く固定された板の写真がほぼ重なるのは、ボーアが答えた通り。見積もると縞の目減りは桁違いに小さく、しかも蹴りは粒子1個につき1回きり――掛け算も起きない。つまり板は「デコヒーレンスを起こさない」のではなく、目減りが小さすぎて見えないだけ。差は仕組みではなく、桁なんだよ。

それが「量子の世界と日常の世界の境目」の正体だよ。次のステージでは、この理屈を宇宙でいちばん有名な物体に当てはめる。月だ。もつれの旅の最後に残した、あの問いに決着をつけよう。