シュレーディンガーの時計 / Pixabay
物理学で一番有名な思考実験の1つは、アインシュタインが最初に提案した「双子のパラドックス」と呼ばれるものだろう。双子の片方がほぼ光速で移動する宇宙船に乗って、どこかの星まで旅をしてから地球に帰還したとすると、その人は双子の兄弟よりも若くなる。
これは特殊相対性理論が述べている通り、移動速度が速くなるほどに時間の流れが遅くなる（「時間の遅れ」）ことが原因だ。
「シュレーディンガーの猫」もまた有名だ。ガイガーカウンターに連動してスイッチが入る毒ガス発生装置が設置された箱に、ネコと放射性元素と入れて密閉する。
放射性元素の崩壊率が50%だったとすると、あら不思議！ 箱の中のネコは生きている状態と死んだ状態で同時に存在している（「重ね合わせ」）ことになる。
では、この2つを組み合わせたらどうなるのか？
『Nature Communications』（10月23日付）に掲載された論文では、重ね合わせの状態にある量子原始時計で2つの時間を測定するとどうなのるのか考察されている。
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ミクロの世界の奇妙な重ね合わせ
量子力学でいう重ね合わせとは、1つの物体が同時に複数の場所に存在するという奇妙な現象のことだ。重ね合わさった物体は、観察をした途端に、それらの内のどれか1つに収束するので、日常生活でそんな奇妙な状態を目にすることはない（ちなみにシュレーディンガーの猫は、この奇妙な現象への反論として考案されたものだ）。
だが、たとえばビームスプリッターで光子を分割するといった実験を通じて、ミクロの世界では粒子が本当に重ね合わせの状態にあることが確認されている。
また、この状態を実用的な目的に活かそうとする研究もある。重ね合わさった粒子は情報を共有しているらしく、盗聴不可能な「量子暗号」や究極の低電力・大容量通信である「量子通信」などに応用できるのだ。
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原子時計と重ね合わせでシュレーディンガーの時計を作る
原子が崩壊するタイミングは非常に正確なので、超精密な時計として利用することができる。論文によれば、この「原子時計」を重ね合わせの状態にし、その片方を秒速数メートルで動かしつつ、もう片方を動かないままにしておけば、原子時計で時間の遅れを実験できるのだという。
しかし重ね合わさった原子時計は、シュレーディンガーの猫のように2つの状態で同時に存在するのではない。そのかわりに異なる時間を刻む。
研究グループの1人、英セント・アンセルム大学のアレクサンダー・スミス氏は、これについて「いわばシュレディンガーの時計」とScientific Americanで語っている。
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量子力学と相対性理論の架け橋
第三者であるオックスフォード大学の物理学者ブラッコ・ベドラル氏の解説によると、これは量子力学と相対性理論の架け橋となる貴重なアイデアなのだという。量子力学と相対性理論は、それぞれミクロの世界とマクロの世界を正確に記述しながらも、なぜだかうまく統合できないことで悪名高い。
量子力学の重ね合わせの原理を相対性理論の時間の遅れの概念と組み合わせることができます。紛うことなき双子のパラドックスでありながら、量子力学に応用できるのです
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シュレーディンガーの時計は実際に観測可能
シュレーディンガーの時計による時間のズレは、ほとんど気づかないようなごくわずかなものかもしれないが、高精度な量子原子時計には影響がある可能性があるという。しかも凄いのは、そうした影響を実験によって実際に測定できるかもしれないという点だ。
スミス氏らは今、その実験の準備を進めているところであるそうで、「今後5年から10年で確認できるかもしれません」と述べている。これに関しては思考実験ではなく、現実の話である。
Quantum clocks observe classical and quantum time dilation | Nature CommunicationsReferences:scientificamerican/ written by hiroching / edited by parumo
https://www.nature.com/articles/s41467-020-18264-4
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コメント
1. 匿名処理班
取り合えず双子のパラドクスについては
アインシュタインでないし
単にじかんのずれが
2. 匿名処理班
途中送信しちゃった。
双子のパラドクスは時間のズレ自体の話でなく、
すべてが相対的であるなら、AからみればBが遅れるがBから見たらAが遅れるのではっていうパラドクス
3. 匿名処理班
バカな俺にはよくわからんが、空間的に異なる位置に存在する紐付けされていたものが、時間的にも異なる状態にすることができるかどうかってことなの？
つまり過去と未来（過去と現在？現在と未来？）の間の情報も共有できる（量子的に）ってことの実験なのか？
4. 匿名処理班
なんか知らんけど、超弦理論的にはどう予想されるのか？
この手の量子力学と相対性理論が絡んだ実験で超弦理論など「万物の理論」候補に予測を立てさせ、その予想が当たれば実証とまではいかなくてもその理論の信憑性が検証可能なのでは？
いや、なんか知らんけど。
5. 匿名処理班
シュレーディンガーの毛髪なら多くの男性が・・・
6. 匿名処理班
なるほど、完全に理解した。
（読んでない）
7. 匿名処理班
5年から10年後か。その時にはまた呼んでくれ。。。むにゃぐう
8.
9. 匿名処理班
> 原子が崩壊するタイミングは非常に正確なので
ここ違いますよね
10. 匿名処理班
量子レベルの時間のズレはとっくに観測事実だから、
たぶん量子もつれの状態を作っとくってところがポイントなんだろうけど、
だとするとどうなるのかを書いてくれてないからさっぱり🤤
11.
12. 匿名処理班
量子っつうのは、つまるところ粒子でやるコイントスみたいなもんで、
Aとaという粒子のスピンが左向きか右向きか、
それぞれ反対するどちらか一方にしかなれない場合、
量子もつれ状態にさせた2つの粒子Aaをパチンと弾き出した時、
Aの粒子が左向きに回転している（ことを観測した）ならば、
自動的に粒子aは右向きに回転しているという情報が瞬時に（光速を超えて）決定される（そしてそれはマクロ的な相対性理論に反する）、というのが根本にあるんだ。
今回やる実験は、どうやるのかは知らんが、本来はそうやって瞬時に伝わるはずの情報を
「加速系における相対論的な時間の遅れ」を利用してナンとかコウとかして、その伝達の時差を測ろうとしている。
それで何がわかるかって言うと、例えば粒子一つがある運動量を持つ時（E=mc^2）に、どれくらい時空に影響を与えるか（どれくらい時空を歪ませるか）どうかを調べることが出来るかもしれない。
これを定式化出来れば、量子もつれを利用して、「今」と「未来」の間で相互に情報を送ることが出来るかもしれない。
双子のパラドックスで言うと、ロケットに乗った兄という「今」が、地球に残り自分より年老いた（という情報を持った）「未来」の弟を観測できるということ。
今の技術でもせいぜい1.000000…1%倍くらいの差しか生み出せないが、半タイムマシーンのようなものが作れるかもしれない。
13. 匿名処理班
相対論的な量子論を体現するために第二量子化を行うのでは？
相対論と量子論が組み合わせびくいとは？
14. 匿名処理班
量子もつれにある二つの粒子の関係は、時間には順序があって原因と結果がある（因果律）という通常の感覚とはかけ離れた結果になることが実験で示唆されてる。一種の時間旅行みたいな感じだけど、量子もつれの二つ、いわば粒子の双子のどっちかが時間軸がずれていったら、もう片方には影響するのか？というのが主旨なのかな。例えば片方が未来において予期しない出来事の影響を受けたら、時間が進んでない片方にもその影響が出て未来予知が出来るということになるんではないか。
15. 匿名処理班
猫は愛でるものである。
16. 匿名処理班
ディジタル時計とアナログ時計
ふたつを同時に見ると
脳内パラドックスを起こす。
17. 匿名処理班
タゴール「この世界は人間の世界です. 世界についての科学理論も, 所詮は科学者の見方. にすぎません」
18. 匿名処理班
双子のパラドックスって双子でやる必然性ある？
19. 匿名処理班
※18 幽体離脱できるから。
20. 匿名処理班
※18
若くして生き別れた一卵双生児を見つけ出し健康状況を調べることにより生活環境の違いがどこまで影響するか確認する調査がある。
全然違う実験だがそういうもんだ。
21. 匿名処理班
シュレーディンガーの犬でもいいと思うの
22. 匿名処理班
※5
５０％の確率でピカピカ頭でしょ、嫌ですよ。
23. 匿名処理班
一般オヤジの見解「そんなもんワレぇ 猫でも犬でも、箱を開けんでも鳴いたら生きてるか、死んでるか、分かるやろ」
24. 匿名処理班
これは早く実験してほしい、結果が気になる。
25. 匿名処理班
※9
観測した瞬間状態が確定する でしたか
26. 匿名処理班
※18
思考実験なので、より好ましい条件を任意に設定できるのだから、ただ生年月日が同じというだけより、年齢差を想像しやすいからじゃないですかね。
「おかえり。ありゃ、兄さん若いなあ」
「ただいま。おまえずいぶん老けたな」
27. 匿名処理班
えーと、猫は生きてる状態と死んでる状態が重ね合わさって存在はしてないです。
生きてるか、死んでるかのどちらか。
猫の状態はミクロの確率が収斂したマクロの状態なので、どちらかになります。
あくまでも、状態が重ね合わせで存在するのはミクロの時だけで、マクロ化すると状態は確定されます。何でミクロの状態の時は確率的なのに、マクロになると状態が確定されるのかは、未だわかってません。
28.
29. 匿名処理班
異なる時間ということは単純に引き延ばすということで良いのかな？ それなら何も変わらないような・・・
異なる時間ってなんだろう、どういうことなんだろう？
確率に干渉する方向を言っているのかな？
異なるとは虚的なという種類を指してるのかな？
なんなんだろう・・・
30. 匿名処理班
記事を書いている人は論文を理解してるんだろうか？結局何が言いたいのか分からんのだが。
31. 匿名処理班
>>2
なんだっけアインシュタインが言ったのは私が死んでも10光年先の星ではまだ観測出来てないから、向こうではあと10年生きている
みたいなことだっけ
32. 匿名処理班
>>21
犬だと小型・中型・大型がいる。
｢犬｣と言うと頭の中に思い浮かべる｢犬｣の大きさが変わってくるが、これが｢猫｣ならほとんどの人が何処にでもいるサイズの｢猫｣を思い浮かべる。
脳内のBOXもほとんどの人が同じサイズになる。
※｢トラ｣｢豹｣を思い浮かべる人は稀
ちなみに私が思い浮かべる犬は｢ボルゾイ｣｢シェパード｣なので装置もそれなりにデカく⋯