物理学の哲学

古典力学では、時間は基本量（つまり、他の量で定義できない量）とみなされます。しかし、ループ量子重力などの理論では、時空は創発的であると主張しています。ループ量子重力の創始者の一人であるカルロ・ロヴェッリは、「時空上の場はもうない。場の上に場があるだけだ」と述べています。 ^{[ 2 ]}時間は、標準時間間隔による測定によって定義されます。現在、標準時間間隔（「慣習秒」または単に「秒」と呼ばれる）は、133セシウム原子の超微細遷移の9,192,631,770回の振動として定義されています。（ISO 31-1）。時間とは何か、そしてどのように機能するかは、上記の定義から導き出されます。そして、時間は空間と質量の基本量と数学的に組み合わせて、速度、運動量、エネルギー、場などの概念を定義することができます。

アイザック・ニュートンとガリレオ・ガリレイ^{[ 3 ]}、そして20世紀までのほとんどの人々は、時間はどこでも誰にとっても同じだと考えていました^{[ 4 ]} 。現代の時間の概念は、アルバート・アインシュタインの相対性理論とヘルマン・ミンコフスキーの時空に基づいています。この理論では、異なる慣性系では時間の流れ方が異なり、空間と時間が時空に融合しています。アインシュタインの一般相対性理論と遠方の銀河からの光の赤方偏移は、宇宙全体、そしておそらく時空自体が約138億年前のビッグバンで始まったことを示しています。アインシュタインの特殊相対性理論は、ほとんどの場合（ただし普遍的ではない）、現在に形而上学的に特別な何かがある時間の理論をはるかに信憑性の低いものにしました。時間の参照系依存性は、特権的な現在の瞬間という考えを許容しないように見えるからです。

空間は物理学における数少ない基本量の1つであり、現在知られている限りではこれ以上に基本的なものはないため、他の量で定義することはできません。したがって、他の基本量（時間や質量など）の定義と同様に、空間は測定によって定義されます。現在、標準空間間隔（標準メートル、または単にメートルと呼ばれる）は、真空中で光が1/299792458秒（正確な値）の間に進む距離として定義されています。

古典物理学では、空間は3次元のユークリッド空間であり、任意の位置は3つの座標を用いて記述でき、時間によってパラメータ化されます。特殊相対性理論と一般相対性理論は、3次元空間ではなく4次元時空を用います。そして現在、3次元を超える空間次元を用いる多くの推測的な理論が存在します。

不確定性原理とは、位置と運動量など、任意の共役変数のペアを同時に測定する際の精度に上限があることを示す数学的な関係式である。演算子表記の形式においては、この上限は、対応する変数の演算子の交換子の値によって表される。

不確定性原理は、「電子が波動であるならば、原子核の周りの電子の位置をどのように測定するのか？」という疑問に対する答えとして生まれた。量子力学が発展した際、それは波動力学を用いて系の古典的記述と量子的記述を結びつける関係として捉えられた。

ベルの定理は、物理学における密接に関連する一連の結果を包括する用語であり、測定の性質に関するいくつかの基本的な仮定の下では、量子力学は局所隠れ変数理論と両立しないことを決定づける。ここで「局所」とは、局所性の原理、すなわち粒子はすぐ周囲の環境によってのみ影響を受けるという考え方、および物理場によって媒介される相互作用は光速よりも速く伝播できないという考え方を指す。「隠れ変数」とは、理論には含まれていないが実験結果に影響を与える量子粒子の想定される性質である。この一連の結果に名を冠する物理学者ジョン・スチュワート・ベルの言葉を借りれば、「もし（隠れ変数理論が）局所的であれば、量子力学とは一致せず、量子力学と一致するならば、局所的ではない」^{[ 6 ] 。}

この用語は、さまざまな派生に広く適用され、その最初のものは、ベルが 1964 年の論文「アインシュタイン・ポドルスキー・ローゼンのパラドックスについて」で紹介したものです。ベルの論文は、アルバート・アインシュタイン、ボリス・ポドルスキー、ネイサン・ローゼンが1935 年に提案した思考実験に対する応答であり、量子物理学は「不完全な」理論であると主張していました。^{[ 7 ] [ 8 ]} 1935 年までに、量子物理学の予測は確率的であることがすでに認識されていました。アインシュタイン、ポドルスキー、ローゼンは、粒子のペアの量子状態がもつれるように準備し、粒子を任意の距離に分離するというシナリオを提示しました。実験者は、一方の粒子に対して実行できる可能な測定を選択できます。測定を選択して結果を得ると、もう一方の粒子の量子状態は、もう一方の粒子がどれだけ離れていても、その結果に応じて新しい状態に瞬時に崩壊するようです。これは、最初の粒子の測定が何らかの形で光速よりも速く2番目の粒子にも影響を与えたか、あるいは、もつれた粒子が分離される前に最終的な量子状態をあらかじめ決定する何らかの未測定の性質を持っていたことを示唆している。したがって、局所性を仮定すると、量子力学は粒子の真の物理的特性を完全に記述できないため、不完全でなければならない。言い換えれば、電子や光子のような量子粒子は、量子理論に含まれていない何らかの性質や属性を持っているはずであり、量子理論の予測における不確実性は、これらの性質（後に「隠れた変数」と呼ばれる）の無知または不可知性に起因することになる。

ベルは量子もつれの分析をさらに進めた。彼は、もつれたペアの2つの分離された粒子に対して独立に測定が行われる場合、結果が各半分内の隠れた変数に依存するという仮定は、2つの測定結果の相関関係に数学的な制約を課すことになる、と推論した。この制約は後にベルの不等式と呼ばれることになる。ベルは次に、量子物理学はこの不等式に違反する相関関係を予測することを示した。したがって、隠れた変数が量子物理学の予測を説明できる唯一の方法は、それらが「非局所的」である場合、つまり、2つの粒子がどれほど遠く離れていても、何らかの方法で非古典的な相関関係を運ぶことができる場合である。^{[ 9 ] [ 10 ]}

その後数年間でベルの定理のさまざまなバリエーションが提案され、ベル（または「ベル型」）不等式として知られる他の密接に関連する条件が導入されました。ベルの定理を検証するために設計された最初の基本的な実験は、1972年にジョン・クラウザーとスチュアート・フリードマンによって行われました。^{[ 11 ]}ベルテストとして総称されるより高度な実験は、それ以来何度も行われてきました。今日まで、ベルテストは一貫して物理システムが量子力学に従い、ベル不等式に違反することを発見しました。つまり、これらの実験の結果は、いかなる局所隠れ変数理論とも相容れないということです。^{[ 12 ] [ 13 ]}

相関関係に対するベル型の制約を証明するために必要な仮定の正確な性質については、物理学者と哲学者の間で議論が交わされてきた。ベルの定理の重要性は疑いの余地がないものの、量子力学の解釈におけるその完全な意味合いは未解決のままである。

1927年3月、ニールス・ボーアの研究所で働いていたヴェルナー・ハイゼンベルクは不確定性原理を定式化し、量子力学のコペンハーゲン解釈として知られるものの基礎を築いた。ハイゼンベルクはポール・ディラックとパスカル・ジョルダンの論文を研究していた。彼は方程式の基本変数の測定に問題があることを発見した。彼の分析によると、粒子の位置と運動量を同時に測定しようとすると、必ず不確定性、つまり不正確さが生じることがわかった。ハイゼンベルクは、これらの測定における不確定性、つまり不正確さは実験者の過失ではなく、本質的に根本的なものであり、量子力学の演算子の定義から生じる演算子の固有の数学的性質であると結論付けた。^{[ 14 ]}

コペンハーゲン解釈は、多くの物理学者や物理哲学者が量子力学について類似しているものの同一ではない見解を提唱してきたため、やや曖昧に定義されている。哲学的な相違はあるものの、主にハイゼンベルクとボーアに関連付けられている。^{[ 15 ] [ 16 ]}コペンハーゲン型解釈に共通する特徴としては、量子力学は本質的に非決定論的であり、確率はボルンの規則を用いて計算されるという考え方、そして物体は同時に観測または測定できない相補的な性質のペアを持つという相補性の原理が挙げられる。 ^{[ 17 ]}さらに、物体を「観測」または「測定」する行為は不可逆であり、測定結果に基づかない限り、物体に真実を帰属させることはできない。コペンハーゲン型解釈では、量子記述は客観的であり、物理学者の心の中にあるいかなる恣意的な要因からも独立していると主張する。^{[ 18 ] : 85–90}

ヒュー・エヴェレット3世による量子力学の多世界解釈は、量子系の波動関数がその物理系の現実についての主張を伝えていると主張する。波動関数の崩壊を否定し、重ね合わせ状態は、単にそれらの変数の不確定性を示すのではなく、物体が存在する多世界の現実を文字通りに記述するものとして解釈されるべきだと主張する。これは、科学的理論は世界の文字通りの真実の記述を与えることを目指すという科学的実在論[ ^{19 ]}の帰結として議論されることがある^。

エヴェレット解釈における一つの問題は、この説明において確率が果たす役割である。エヴェレットの説明は完全に決定論的であるのに対し、量子力学では確率が不可欠な役割を果たしているように見える。^{[ 20 ]}現代のエヴェレット主義者は、特定の決定理論的な証明によってボルンの規則に従う確率の説明を得ることができると主張しているが、^{[ 21 ]}これらの証明のいずれかが成功しているかどうかについてはまだ合意が得られていない。^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]}

物理学者のローランド・オムネスは、波動関数がそれぞれ等しく存在する別々の世界にデコヒーレンスするというエヴェレットの見解と、デコヒーレントな波動関数はただ一つの唯一の現実の結果を残すというより伝統的な見解を実験的に区別することは不可能であると指摘した。したがって、この二つの見解の間の論争は大きな「溝」を表している。「現実のあらゆる特徴は、我々の理論モデルによる再構築において再び現れた。ただ一つを除いて、すべての特徴が。それは事実の一意性である。」^{[ 25 ]}

アリストテレス物理学では、宇宙は中心を持つ球体とみなされていました。物質は、土、水、空気、火という古典的な元素から構成され、宇宙の中心、地球の中心に向かって下へ、あるいはそこから離れて上へ移動しようとしていました。月、太陽、惑星、星などのエーテル中のものは、宇宙の中心を周回していました。 ^{[ 26 ]}運動は場所の変化、つまり空間の変化として定義されます。^{[ 26 ] [ 27 ]}

空間における物質の運動に関するアリストテレス物理学の暗黙の公理は、ニュートン物理学においてニュートンの第一運動法則によって取って代わられた。^{[ 28 ]}

物体は、外力によって状態を変化させることを強いられない限り、静止状態または直線上の等速運動状態を維持する。

「すべての物体」には月やリンゴが含まれ、空気や水、石、あるいは炎など、あらゆる種類の物質が含まれます。自然な、あるいは固有の運動を持つものはありません。^{[ 29 ]}絶対空間は、無限で中心のない3次元ユークリッド空間です。[ ^{29 ]}「静止している」とは、絶対空間において時間とともに同じ場所にいることを意味します。^{[ 30 ]}空間のトポロジーとアフィン構造は、直線上で一定速度での移動を許容しなければなりません。したがって、空間と時間の両方が、明確で安定した次元を持たなければなり^ません。^{[ 31 ]}

ゴットフリート・ヴィルヘルム・ライプニッツ（1646年 - 1716年）はニュートンと同時代人でした。彼は周囲で発展しつつあった静力学と動力学に大きく貢献し、しばしばデカルトやニュートンと意見を異にしました。彼は運動エネルギーと位置エネルギーに基づいた新しい運動理論（動力学）を考案し、空間は相対的なものであると仮定しました。一方、ニュートンは空間は絶対的なものであると確信していました。ライプニッツの成熟した物理学的思考の重要な例として、1695年の著書『力学標本』が挙げられます。 ^{[ 32 ]}

素粒子とその粒子を支配する量子力学が発見されるまでは、静力学や動力学では説明できない自然界の側面に関するライプニッツの多くの思弁的な考えは、ほとんど意味をなさなかった。

彼は、ニュートンに反論して、空間、時間、運動は絶対的なものではなく相対的なものであると主張することで、アルバート・アインシュタインを先取りした。^{[ 33 ]}「私自身の意見としては、空間は時間と同じように単なる相対的なものであり、空間は共存の秩序であり、時間は連続の秩序であると考えていると、何度も述べてきた。」^{[ 34 ]}