シュレーディンガーの猫

先日のこと
量子力学のセミナーの中でのお話
こう言った科学的なお話は
嫌いではないが
なぜか頭に残らない
その時は、分かったつもりなのに
日が経つと
なんだっけ？となることが多々

タイトルの「シュレーディンガーの猫」
なんとか頭に残したいので
分かりやすい解説を探してみた
↓

ひとつの実験が行われると想定する
実験には、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、青酸を用意する
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設定される
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る
「検出器がラジウムを検知する」という確率を50%として、この状態で箱の中に猫を入れて密封する
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ある
※ちょっと残酷な実験…猫だけに…

実験結果はどうなるか？
①普通に考えて、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ハンマーで破られて、猫は死ぬ
②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になるはずである

しかし量子力学では、①か②かは “観測するまでわからない” という見方をする
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ある

「箱を開ける前にどちらかの状態に決まっているはずだ！」と思うかもしれないが、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ある

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

「猫が生きている状態と死んでいる状態」という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、そのような考え方をしたところで何の矛盾も起こらない

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となる

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
というものである

どういうことか…
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る
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ある
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ある
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、現在において言及されていない
そして、この確率は観測されるまで確かめようがないのである
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ある
逆に言えば、観測がどちらに行ったかを決めるとも言える
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」と言っている
「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、と主張したのである

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、実はそうではなかった
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る
「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ある
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ない

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た
そうして、生物学の世界に飛び込んだのだが、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ったのだった

ーアインシュタインの言葉ー
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っている
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ある
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ある
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だからである
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う
「月は人が見ているときだけに存在するのだろうか？」
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ない
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に限られているので、日常で問題になるようなことはない
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…のである

ーウィグナーの友人とはー
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る
これは、猫の生死の代わりに電灯を用いる
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%
これらの状態は重ね合わさっていると言える
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する
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」である
①友人が電灯を見たとき
②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あろうか？
実際、多くの物理学者が頭を悩ませている

ーコペンハーゲン解釈とエヴェレット解釈ー
「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ない
この解釈を、コペンハーゲン解釈と言う
現在、最も「無理のない」解釈とも言える
これは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る
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う)と考えることにする
この照明は…というと、そんなものはない
だから、解釈にすぎないのである
このような考えるのが、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
また、当然別の解釈も存在する
それが、エヴェレットが考案したエヴェレット解釈である
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などに良く登場する
この多世界解釈では、「世界は可能性の数だけ存在する」とする
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ある
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る
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る
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」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ある

最後に
猫が「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」が正解のようだ
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われる
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」ということなのである
※勉強だけじゃない京大生のブログ「人がみぎなら私は左ひだり」より、“京大生が “シュレーディンガーの猫” を世界一わかりやすく解説します”を参考にさせていただきました

ちーくんが寝てるのを確認！

やっぱり量子力学って
分かったような
分からないような
ただ物事っていうのは
観測されるまでは
何でもアリってこと！
可能性があるってこと！
だから
観測する前に決めつけないこと
無限の可能性があるかもね

つづく