量子力学はどのように物事が変化し、世界が成り立っているかを説明する物理学で、その説明は物質を構成する粒子の本性と、それらが相互作用する力について理解することにあり、私たちが現在もっている最善の説明システムである。
量子力学は原子がどのように存在し、うまく作用しているか、そしてそれによって化学と生物学の現象がどのように起きるかを基礎づける理論。電子がコンピューターチップを通じてどのように動くか、光子が太陽電池パネルの中でどのように電流に変わるか、太陽がどのように燃え続けるか等々、それらを説明するのに私たちは量子力学を使う必要がある。
だが、難しさはそこから始まる。数学的な語彙と形式を完備した量子力学は、1920年代にボーア、ハイゼンベルク、シュレーディンガー、そして、フォン・ノイマンらによってつくり上げられた。その理論は、単一の粒子または少数の粒子の位置や運動量が時間的にどのように変化するかという単純な現象を描写し、説明することができる。
しかし、実際の世界での変化を理解するには、量子力学を物理学の他の要素（主に、事物が非常に速く移動すると何が起こるかを説明するアインシュタインの特殊相対性理論）と組み合わせて、量子場の理論をつくり上げる必要がある。三つの異なる量子場の理論は、物質が相互作用する四つの基本的力のうちの三つを扱っている。それらは原子がどのように一緒になるかを説明する電磁気力、原子の中心にある核の安定性を説明する強力な核力、そして、原子の一部が放射性崩壊を起こす理由を説明する弱い核力である。
これら三つの理論は素粒子物理学の「標準モデル」としてまとめられてきた。このモデルはこれまでに考案された物質の基本的な働きの描像を提供してくれる。そのすばらしさは、2012年にヒッグス粒子の発見によってもたらされた。ヒッグス粒子は、他のすべての基本粒子に質量を与え、その存在は1964年まで遡る量子場の理論に基づいて予測された。
従来の量子場の理論は最小スケールで物質を探索する。だが、多くの厄介な状況で物事がどのように働くかを理解したい場合、数十億の相互作用が登場することになり、「実効的な場の理論」を開発しなければならない。そのような理論を構築することが難しいため、固体物理学における多くの重要な疑問が未解決のままになっている。例えば、物体の中には低温では電気抵抗なしで電流を流す超伝導体になるものがどうしてあるのか、そしてこの仕組みを室温で動作させることがなぜできないのか、今のところわからない。
これらすべての実用的な問題の背後に、量子についての大きな謎が横たわっている。基本的なレベルで量子力学は、物質がどのように働くかについて現実の世界での働き方とは合致しないことを予測している。量子という粒子は、単一の場所にある粒子のように振る舞うことができる。あるいは、それらは波のように振る舞い、空間全体または一度に幾つもの場所に分布できる。また、それらがどのように見えるかは、それらをどのように測定するかによって決まり、測定する前に確定した性質をもっていないように思われる。つまり、それは「実在するとは何か」について根本的な難問を提供している。
この曖昧さは、「シュレーディンガーの猫」のような誰の目にも明らかなパラドックスにつながり、不確定な量子過程が存在するせいで、猫が死んだままであると同時に生きたままにもなっている。こんな状態は古典的な物理過程には決してない。だが、それだけではない。量子という粒子は、互いに遠く離れていても、瞬時に互いに影響を与えることができる。この言葉巧みに人を騙すようにしか見えない現象は「量子もつれ」として知られている。あるいは、量子力学の偉大な批判者であるアインシュタインによれば、「不気味な遠隔作用」（非局所相関）である。このような量子の力は私たちには異様としか思えないものだが、量子暗号や量子計算などの新技術の基礎となっている。
しかし、それらすべてが何を意味するかについては、今のところ誰も知らない。ある人は量子物理学が物質世界を説明することは、より大きな「古典的な」世界での経験を公正に扱うことは不可能だと認めるだけだと考える。別の人は私たちがまだ発見していない、より良い理論があるはずだと考える。
これでは正に支離滅裂で、こうなると、否応なしに私たちの好奇心は高まるしかない。
