「シュレーディンガーの猫」という言葉は聞いたことがある人は多いと思います。その概要は、往往にして「猫が生きている状態と、死んでいる状態の重ね合わせである」として語られます。
しかし、実は、シュレーディンガーの猫という思考実験を持ち出すことになった経緯やその実験の意味するところなどを理解している人は多くありません。
そこで、この記事では、
- シュレーディンガーの猫の本当に正しい(とされている)理解
- 量子力学の理解の難しさ
などについて紹介できたらと思います。言っていることは難しいかもしれませんが、ぜひぜひ頭を悩ませてみてください！
では、いきましょう。
目次 (クリックでジャンプ)
シュレーディンガーの猫とは？
実験の概要は以下の通りです。
中の見えない密閉できる箱と、放射性物質のラジウム、それに放射線の検出器とリレー装置、ハンマー、青酸を用意します。(装置がなんだか具体的ですね…) もし、検出装置がラジウムから出る放射線を検知したらリレーに電流が流れ、ハンマーが青酸ガスの入ったびんをたたき割るようにします。
ラジウムの量をうまく調節することによって、検出器を作動させる確率を半々にすることができます。この、「検出器がラジウムを検知する」という確率を50%として、この状態でこの箱の中に猫を入れて密封します。
これが、シュレーディンガーの猫と呼ばれる実験の手順です。
実験結果はどうなるか？
さて、それでは実験の結果はどうなるでしょうか？
普通に考えれば、箱の中に入った猫は
- 検出器がラジウムを検知し、青酸ガス入りの瓶が破られて猫は死ぬ
- ラジウムは検知されず、猫は生きている
というどちらかの状態であるはずです。そして、古典論(古典力学、もしくはニュートン力学)においては、この状態はどちらかに決まるはずです。
しかし、量子力学では、この2つは “観測するまでわからない” という見方をします。つまり、「生きた猫と死んだ猫」という状態が重なり合っているとしているのです。
「いや、そうじゃない。箱を開ける前にどちらかの状態に決まっているはずだ！」と思うかもしれません。しかし、重なり合いを仮定しても、理論的には全くおかしくなく、むしろいろいろな現象を説明するのに都合が良いのです。
現代のシュレーディンガーの猫の思考実験において、最も論理的とされる答えは、以下の通りです。
私たちが、「猫が生きている状態と死んでいる状態」というものの重ね合わせを考えるとして、このような考えをすることが正しいか間違っているかを確かめる手段を何一つ持っていないし、それにそのような考え方をしたところで何の矛盾も起こらない。
シュレーディンガーの猫が教えてくれること
さて、ではこのシュレーディンガーの猫が何を教えてくれるかというと、それは「量子力学の次のような考え方です。その考え方とは、
未来にはいくつもの可能性があり、どの可能性が実現するかはサイコロのように確率できまる
というものです。
厳密にどういうことを言っているのか、ということは参考書などに任せるとして、ここではざっくりとした説明を書いていきたいと思います。
古典論では、例えばAさんがボールを投げると、その速度や周りの状態がわかれば何秒後にどこにボールが飛んでいくかは正確に予測することができます。これは、なんとなくわかりますよね？
では、量子論ではどうかというと、その予測ができないのです。具体的には、Aさんの投げたボールは、右に行く、または左に行くかという確率で決まるということです。このどちらへ行くかという確率が何によって決まるのかということは2018年現在において言及されていません。
そして、この確率は観測されるまで確かめようがありません。右、左のどちらへ行ったかというのはボールがどっちへ行ったかを見るまでわからないのです。逆に言えば、観測が、どちらに行ったかを決めるとも言えます。
この、右へ行くか、それとも左へ行くかという状態のボールのことを私たちは、「重ね合わせ」と言っています。
シュレーディンガーの猫の実験では、猫は私たちが箱を開けるまでこの「重ね合わせ」の状態が続いており、そして箱を開けた瞬間に生きているか、それとも死んでいるかということが決まる、と主張したのです。
シュレーディンガー博士が言いたかったこと
とまぁ、ここまでは概ね皆さんが知っている話だったかもしれません。
ではシュレーディンガー博士は当初、量子力学の考え方を知ってもらうためにこの実験を考案したかというと、実はそうではありませんでした。
彼は、「量子力学の考え方の愚かしさを示すため」にこんな実験を考案したとされています。
「ほら、量子力学という考え方をみんなは支持しているけれど、それはこんなに変な現象なんだ！」と主張していたのです。
それが今では、「量子力学の根本原理はこのようなものである！」という説明によく使われるようになってしまったのは、皮肉と言えるかもしれません。
シュレーディンガーのその後
シュレーディンガー博士は、こうした論争に疲れ、最後には「物理学なんかやるんじゃなかった…」と言って生物学の世界へと活躍の場を移します。
そうして生物学の世界に飛び込んだのですが、彼はその分野でも新たな業績を残し、今では教科書の1ページ目に名を連ねるほど有名な学者になりました。
アインシュタインの言葉
当時、相対性理論や光電効果の発見など後の物理学の発展に大きな影響を与え、のちの物理学の発展に大きな影響を与えたアインシュタインは、当時量子力学の考え方を受け入れることができなかったと言います。
彼は、量子力学を受け入れることができず、
神はサイコロを振らない
と言ったのは有名な話です。
しかし、それを槍玉に挙げて「アインシュタインは、量子力学を理解できなかった愚か者だ！」と言うのは間違いです。なにせ、光量子、つまり「光は粒子のように振る舞う」という主張をして量子力学の基礎を作った人なのですから。
アインシュタインは、次のような表現を用いて量子力学への不満をあらわにしたと言いいます。
月は人が見ているときだけに存在するのだろうか？
先ほどのシュレーディンガーの猫についても同じように、人が観測をしたから猫が死んだ(もしくは生きていた)とするならば、月についてもそのように考えても不思議はありません。
実際には、量子力学的な振る舞いというのは電子などのごく小さいもの(最近は実はそうでもないんですが… )に限られているので日常で問題になるようなことはありません。私たちの身の回りの現象のほとんどは古典力学によって語られているので一見変に見えるだけかもしれない…のです。
ウィグナーの友人
さて、シュレーディンガーの猫と似たような実験に、ウィグナーの友人という実験があります。これは、猫の生死の代わりに電灯を用います。
密閉された部屋の中で電灯が着くか、着かないかの確率は50%。先ほどまでの表現を使うなら、これらの状態は重ね合わさっていると言えます。そして、その部屋に友人を1人いれておいて、ウィグナー先生はそれを部屋の外から電話で尋ねることにします。
さて、この実験で問題になるのは、「いつの時点で電灯が着く、着かないという重ね合わせ状態が現象として確認されるか」です。
- 友人が電灯を見たとき
- ウィグナー博士が電話を受け取ったとき
- 博士が結果を聞いたとき
このどれだというのでしょうか？
頭が痛くなってきそうですね。実際、多くの物理学者が頭を悩ませています。
コペンハーゲン解釈とエヴェレット解釈
最後は、こうした量子力学の解釈についての話で締めたいと思います。実は、今までずっと「観測によって確率が変化する」というのは量子論のある解釈にすぎません。
この解釈を、コペンハーゲン解釈と言います。現在、最も「無理のない」解釈とも言えます。ちなみに、デンマークのコペンハーゲン学派の人たちが主張したのでこのような名前になっています。
この解釈では、「確率の波が、観測することによってその形を変え、1点に集まる」(これを確率の収縮と言います)と考えることにします。
この照明は…というと、そんなものありません。だから、解釈にすぎないのです。
最初にも書いた通り、
このような考えをすることが正しいか間違っているかを確かめる手段を何一つ持っていないし、それにそのような考え方をしたところで何の矛盾も起こらない。
のです。
また、当然別の解釈も存在します。それが、エヴェレットが考案したエヴェレット解釈です。この解釈の別名は多世界解釈であり、その名前のせいかSFなどにちょくちょく登場します。
この多世界解釈では、「世界は可能性の数だけ存在する」とします。つまり、猫が死んだ世界と生きた世界を仮定して、私たちが観測したのはその片方だとするのです。
こう考えると、確かに「重ね合わせ」のような理解しがたいものがわかった気になります。また、多世界解釈という言葉がSFによく出てくるパラレルワールドを連想させるのでもてはやされるのもわかります。
以上、簡単にですが代表的な解釈の紹介でした。実をいうと、この辺りの話は大学の標準的な教科書などには書いていないことが多いのです。
それはなぜかというと、「どの解釈をとってもあまり問題にはならないから」です。なので、量子論の本質を探ろうとする理学者以外にとっては当面のところどちらでも問題ないというのが現状なのです。
最後に
さて、“シュレーディンガーの猫”について宇宙一わかりやすく解説をしてきたつもりです。いかがだったでしょうか？
特に、「生きているか死んでいるか」という状態の重ね合わせというよくわからないものについては正直なところ、”わからない” が正解な気がします。
量子力学が面白いのは、この「わかる」と「知っている」ということがはっきり別れているところだと思います。つまり、シュレーディンガーの猫という実験は知っているが、理解はしがたい、のです。
んー、深いですね。
