TED2011

Aaron O'Connell: Making sense of a visible quantum object

アーロン・オコンネル:目に見える量子物体を理解する

Filmed:

物理学者は素粒子が通常の物体とは全く異なり、奇抜な量子力学の法則に従って振る舞うという考えに慣れています。アーロン・オコンネルは画期的な実験によって、肉眼で確認ができ、二つの場所に同時に存在することが実証可能な物体を作り、そのような区別を曖昧にさせました。本トークではその結果に対して興味深い考察を紹介します。

- Physicist
Aaron O'Connell is the first person to experimentally induce and measure quantum effects in the motion of a humanmade object, bridging the quantum and classical worlds. Full bio

This is a representation of your brain,
これは脳を表しています
00:15
and your brain can be broken into two parts.
脳は二つの部分に分けられます
00:18
There's the left half, which is the logical side,
左半分は論理を司り
00:21
and then the right half,
右半分は
00:23
which is the intuitive.
直感を担当します
00:25
And so if we had a scale to measure the aptitude of each hemisphere,
左右の脳半球の能力を示す基準があれば
00:27
then we can plot our brain.
脳を図に表すことが可能です
00:30
And for example, this would be somebody who's completely logical.
例えばこの場合 完全に論理的な人を表します
00:32
This would be someone who's entirely intuitive.
この場合は完全に直感的な人でしょう
00:35
So where would you put your brain on this scale?
皆さんの脳はどの位置でしょうか
00:39
Some of us may have opted for one of these extremes,
極端なパターンの人もいるかもしれませんが
00:42
but I think for most people in the audience,
皆さんの脳は大抵
00:45
your brain is something like this --
こんな風に
00:47
with a high aptitude in both hemispheres at the same time.
同時に両半球で高い能力を持っていると思います
00:49
It's not like they're mutually exclusive or anything.
双方相容れない訳でなく
00:52
You can be logical and intuitive.
論理的且つ直感的になれるのです
00:54
And so I consider myself one of these people,
私もこの分類に入ると思っています
00:56
along with most of the other experimental quantum physicists,
他の実験量子物理学者の多くもそうです
00:59
who need a good deal of logic
量子物理の複雑な考えをまとめる
01:02
to string together these complex ideas.
論理性が必要である一方
01:04
But at the same time, we need a good deal of intuition
実験を成功させるための
01:06
to actually make the experiments work.
かなりの直感が必要なのです
01:09
How do we develop this intuition? Well we like to play with stuff.
どう直感を培えばよいでしょうか? まずは試してみるのです
01:11
So we go out and play with it, and then we see how it acts,
試しにいろいろやってみて その結果を見てみます
01:14
and then we develop our intuition from there.
そこから直感を培っていくのです
01:17
And really you do the same thing.
皆さんも同じ事をしています
01:20
So some intuition
何年もかけて
01:22
that you may have developed over the years
皆さんが培ってきた直感の一つは
01:24
is that one thing is only in one place at a time.
一つの物は 同時に二つの場所に存在しないということです
01:26
I mean, it can sound weird to think about
一つの物が 同時に二つの異なる場所に
01:30
one thing being in two different places at the same time,
存在するというのは 奇妙に感じるでしょう
01:33
but you weren't born with this notion, you developed it.
これは生まれもった概念ではなく 培ってきたものです
01:37
And I remember watching a kid playing on a car stop.
子供が車止めの上で遊んでいるのを見たことを思い出します
01:40
He was just a toddler and he wasn't very good at it, and he kept falling over.
よちよち歩きの幼児で よく落ちていました
01:43
But I bet playing with this car stop taught him a really valuable lesson,
でも車止めで遊んで あの子は貴重なことを学んだと思います
01:46
and that's that large things don't let you get right past them,
それは 大きい物体は自分を通り抜けることはせず
01:49
and that they stay in one place.
一つの場所にとどまるということです
01:53
And so this is a great conceptual model to have of the world,
これは世界の概念として優れたモデルです
01:56
unless you're a particle physicist.
でも素粒子物理学者の観点では
01:59
It'd be a terrible model for a particle physicist,
ひどいモデルです
02:01
because they don't play with car stops,
彼らの対象は車止めでなく
02:03
they play with these little weird particles.
素粒子という奇妙なものだからです
02:05
And when they play with their particles,
素粒子を扱ってみると それが
02:08
they find they do all sorts of really weird things --
本当に奇妙なことをすることを知りました
02:10
like they can fly right through walls,
壁を通り抜けたり
02:12
or they can be in two different places at the same time.
二つの異なる場所に同時に存在するのです
02:15
And so they wrote down all these observations,
このような観測内容はまとめられ
02:19
and they called it the theory of quantum mechanics.
量子力学理論と名付けられました
02:22
And so that's where physics was at a few years ago;
それが数年前の頃の物理学でした
02:26
you needed quantum mechanics
極めて小さな素粒子の説明には
02:29
to describe little, tiny particles.
量子力学が必要です
02:31
But you didn't need it
でも私たちの周囲にある
02:33
to describe the large, everyday objects around us.
普通の大きさの物体の説明には必要ありません
02:35
This didn't really sit well with my intuition,
これは私の直感に しっくりきませんでしたが
02:39
and maybe it's just because I don't play with particles very often.
普段から 素粒子を扱わないからかもしれません
02:42
Well, I play with them sometimes,
たまに扱うこともありますが
02:45
but not very often.
めったにありません
02:47
And I've never seen them.
それに見たこともありません
02:49
I mean, nobody's ever seen a particle.
そもそも素粒子を見た人は誰もいません
02:51
But it didn't sit well with my logical side either.
さらに 論理的にもしっくりきませんでした
02:54
Because if everything is made up of little particles
もし全ての物体が素粒子で構成され
02:57
and all the little particles
素粒子は
03:00
follow quantum mechanics,
量子力学に従うのであれば
03:02
then shouldn't everything just follow quantum mechanics?
全ての物体も量子力学に従うのではないでしょうか?
03:04
I don't see any reason why it shouldn't.
そうならない理由を見出すことができません
03:09
And so I'd feel a lot better about the whole thing
もし 通常の物体も
03:12
if we could somehow show
量子力学に従うことを
03:14
that an everyday object
何とか証明できれば全てが
03:16
also follows quantum mechanics.
納得できると考えました
03:18
So a few years ago, I set off to do just that.
そして数年前 その取り組みに着手しました
03:20
So I made one.
そして一つ作ってみたのです
03:23
This is the first object
これが機械的に
03:26
that you can see
量子重ね合わせ状態になった
03:28
that has been in a mechanical quantum superposition.
肉眼で見える初めての物体です
03:30
So what we're looking at here
今見ているのは
03:33
is a tiny computer chip.
小さなコンピュータチップです
03:35
And you can sort of see this green dot right in the middle.
真ん中に緑の点が見えます
03:37
And that's this piece of metal I'm going to be talking about in a minute.
これはこの後説明する金属片です
03:40
This is a photograph of the object.
これが物体の写真になります
03:43
And here I'll zoom in a little bit. We're looking right there in the center.
ここを少し拡大してみます あの中心を見ています
03:45
And then here's a really, really big close-up of the little piece of metal.
これが小さな金属片を拡大した時のものです
03:48
So what we're looking at is a little chunk of metal,
今見ているのは小さな金属の塊で
03:51
and it's shaped like a diving board, and it's sticking out over a ledge.
ダイビング・ボードのような出っ張った形をしています
03:53
And so I made this thing
コンピュータチップを作るのと
03:56
in nearly the same way as you make a computer chip.
同じ方法でこれを作りました
03:58
I went into a clean room with a fresh silicon wafer,
新しいシリコンウェハーと共に クリーンルームの中で
04:00
and then I just cranked away at all the big machines for about 100 hours.
100時間程 様々な巨大な機械を使い製作します
04:03
For the last stuff, I had to build my own machine --
最後の工程では 装置の下の
04:06
to make this swimming pool-shaped hole
水泳プールの形をした穴を作るために
04:08
underneath the device.
機械を自作する必要がありました
04:11
This device has the ability
この装置は
04:13
to be in a quantum superposition,
量子重ね合わせ状態になる機能がありますが
04:15
but it needs a little help to do it.
少し手助けが必要です
04:17
Here, let me give you an analogy.
ここである例えを紹介します
04:19
You know how uncomfortable it is to be in a crowded elevator?
混んでいるエレベーターの中の不快さを想像してみてください
04:21
I mean, when I'm in an elevator all alone, I do all sorts of weird things,
エレベーターに私一人なら 変なことをしたりするのですが
04:24
but then other people get on board
他の乗客が入ってくると
04:27
and I stop doing those things
そういうことはやめます
04:29
because I don't want to bother them,
他の人の迷惑になりたくないですし
04:31
or, frankly, scare them.
怖がらせたくありません
04:33
So quantum mechanics says
量子力学的には
04:36
that inanimate objects feel the same way.
無生物もそう思うようです
04:38
The fellow passengers for inanimate objects
乗客としての無生物は
04:41
are not just people,
人だけでなく
04:43
but it's also the light shining on it
差し込む光だったり
04:45
and the wind blowing past it and the heat of the room.
吹き抜ける風や室内の熱だったりします
04:47
And so we knew, if we wanted to see
ですから この金属片が
04:50
this piece of metal behave quantum mechanically,
量子力学的に振る舞うのを見るには 乗客を全て
04:52
we're going to have to kick out all the other passengers.
降ろす必要があると分かっていたので
04:55
And so that's what we did.
そうしました
04:57
We turned off the lights,
明かりを消して
04:59
and then we put it in a vacuum and sucked out all the air,
吸引機で全ての空気を除去し
05:01
and then we cooled it down
絶対零度付近の温度まで
05:03
to just a fraction of a degree above absolute zero.
冷やしました
05:05
Now, all alone in the elevator,
エレベーターに残されたこの小さな金属片は
05:07
the little chunk of metal is free to act however it wanted.
これで自由に振る舞う事が可能です
05:09
And so we measured its motion.
そこでその挙動を測定してみると
05:11
We found it was moving in really weird ways.
非常に奇妙な動きをしていました
05:13
Instead of just sitting perfectly still, it was vibrating,
完全に静止する代わりに 振動していたのです
05:15
and the way it was vibrating was breathing something like this --
振動はまるで呼吸のように
05:18
like expanding and contracting bellows.
肺が拡大 縮小をしているようでした
05:21
And by giving it a gentle nudge,
そして軽く押してみると
05:23
we were able to make it both vibrate
金属片に振動と無振動を
05:25
and not vibrate
同時に行わせることが
05:27
at the same time --
出来たのです
05:29
something that's only allowed with quantum mechanics.
それは量子力学においてのみあり得る動きです
05:31
So what I'm telling you here is something truly fantastic.
ここでお話していることは本当に素晴らしいことです
05:34
What does it mean for one thing
一つの物体が
05:37
to be both vibrating and not vibrating
振動と無振動を同時に行うとは
05:39
at the same time?
どういった事でしょうか?
05:41
So let's think about the atoms.
原子について考えてみましょう
05:43
So in one case:
例を出します
05:45
all the trillions of atoms that make up that chunk of metal
あの金属片を構成する無数の原子は
05:47
are sitting still
静止していますが
05:50
and at the same time those same atoms
同時に
05:52
are moving up and down.
上下にも動いています
05:54
Now it's only at precise times when they align.
一列に並ぶのは一瞬だけで
05:56
The rest of the time they're delocalized.
それ以外の時は離れています
05:59
That means that every atom
これが意味するのは 全ての原子が
06:01
is in two different places at the same time,
同時に二つの異なる場所に存在し
06:03
which in turn means the entire chunk of metal
すなわち 金属の塊は丸ごと二つの異なる場所に
06:05
is in two different places.
存在しているということです
06:08
I think this is really cool.
これは本当にスゴいことだと思います
06:10
(Laughter)
(笑)
06:12
Really.
本当ですよ
06:14
(Applause)
(拍手)
06:16
It was worth locking myself in a clean room to do this for all those years
何年もクリーンルームに閉じこもっていた甲斐がありました
06:19
because, check this out,
と言うのも 聞いてください
06:24
the difference in scale
一つの原子と
06:26
between a single atom and that chunk of metal
あの金属の塊との間の縮尺の違いは
06:28
is about the same as the difference
あの金属の塊と皆さんとの
06:30
between that chunk of metal and you.
縮尺の違いと大体同じです
06:32
So if a single atom can be in two different places at the same time,
つまり一つの原子が同時に二つの異なる場所に存在できるなら
06:34
that chunk of metal can be in two different places,
金属片も二つの異なる場所に存在できます
06:37
then why not you?
なら 皆さんにも可能では?
06:40
I mean, this is just my logical side talking.
これは私の論理的な視点の意見です
06:42
So imagine if you're in multiple places at the same time,
自分が複数の場所に存在していたら
06:46
what would that be like?
どうなるか想像してみてください
06:50
How would your consciousness
意識はどのようにして
06:53
handle your body being delocalized in space?
空間の一ヶ所に存在しない体に対応するのでしょうか?
06:55
There's one more part to the story.
話にはもう一つ続きがあります
06:59
It's when we warmed it up,
物体を暖め
07:01
and we turned on the lights and looked inside the box,
明かりをつけ 箱の中を見たところ
07:03
we saw that the piece metal was still there in one piece.
金属片はまだそこに存在していました
07:06
And so I had to develop this new intuition,
そこで 新しい直感を形成する必要がありました
07:10
that it seems like all the objects in the elevator
エレベーターの中の全ての物体は
07:13
are really just quantum objects
実は紛れもない量子物体で
07:16
just crammed into a tiny space.
狭い空間にいるだけのようでした
07:18
You hear a lot of talk
量子力学上では
07:20
about how quantum mechanics says that everything is all interconnected.
全ては相互に関連し合っていることをよく聞きます
07:22
Well, that's not quite right.
しかし 全く正しいとは言えません
07:25
It's more than that; it's deeper.
それだけの話ではなく もっと深いのです
07:27
It's that those connections,
周囲に存在する全ての物体と
07:30
your connections to all the things around you,
皆さんとの関連性が
07:32
literally define who you are,
文字通り皆さんを定義するのです
07:35
and that's the profound weirdness of quantum mechanics.
それが量子力学のとても不思議な所なのです
07:38
Thank you.
ありがとうございました
07:41
(Applause)
(拍手)
07:43
Translated by Yuki Okada
Reviewed by Sawa Horibe

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About the Speaker:

Aaron O'Connell - Physicist
Aaron O'Connell is the first person to experimentally induce and measure quantum effects in the motion of a humanmade object, bridging the quantum and classical worlds.

Why you should listen

Growing up reading philosophy, playing guitar, and generally not thinking about science, Aaron O’Connell never expected to revolutionize the world of physics. But an inspiring stuffed-monkey-shot-from-a-cannon demonstration and a series of positive research experiences as an undergraduate propelled him to graduate school at UCSB.

While there, in an experiment remarkable both for its conceptual simplicity and technical difficulty, O’Connell was the first person to measure quantum effects in an object large enough to see with the naked eye. Named Breakthrough of the year by Science Magazine, the experiment shattered the previous record for the largest quantum object, showing decisively that there is no hard line between the quantum and everyday worlds.