量子力学の解釈色々：シュレディンガーの猫とか 後編

さてさて、今回は前回の続きです。

前回は量子力学の状態の解釈の方法はいくつもあり、そのうち有名なものとして「コペンハーゲン解釈」と「エヴェレットの多世界解釈」がありますというところまで書きました。今回はその二つについての説明が主な内容になるかと思います。

コペンハーゲン解釈

 これは結構分かりやすい考え方でしょう。猫の話の例で説明すると、箱を開けるまでは猫が死んでいる状態と生きている状態の2つが同時に存在していて、観測者が箱を開けて「観測」をした瞬間どちらか1つの状態に決まる。というものです。

前回、状態は波動関数の重ね合せで表現されると言いました。この2つ以上の状態(波動関数)が重ね合わさっていたものが1つに決まることを「波動関数の収束」と言うわけです。

しかし、この解釈にはいくつか問題があります。

前回書いたように、シュレディンガー方程式というのは波動関数を求めるための方程式ですが既存の量子力学の数学的枠組みでは波動関数の収束というものを確率的にしか求めることができません。これは「観測」後、どの状態(波動関数)になるかを完全に予言することはできないということです。

これに対して、アインシュタインは「いやいや、そんなわけないだろ。分からないのは我々の知識が足りないからで、実際はどうなるか決定している。波動関数には記述されていない未知の変数があるに違いない。」と反論したそうです。これが有名な神はサイコロを振らないというやつですね。しかしこの説はかなり不利な立場に追い込まれているそうです。

さらにこの解釈では、収束がいつどのように起きたか、収束は観測によって引き起こされたのか、観測することは必須事項なのか、いずれの問にも答えることができません。唯一分かることは「観測」すると波動関数の収束に相当する現象が起きているということだけです。そもそも何を以って「観測」と定義するのかすら曖昧な部分があります。また解釈の前提として「観測者」を特別扱いしています。

これに対して、「観測者」も量子的に扱い、波動関数の中に取り込んで考えているのが次の多世界解釈というわけです。

エヴェレットの多世界解釈

シュレディンガーの猫は猫を量子力学的な見方で捉えている。ここで1つの疑問が生じます。それは「人間(観測者)だって猫と同じようにミクロな粒子の集まりなわけだから同じように量子力学的に扱わないと不公平じゃないか？」ということです。そこで、 「観測前は猫が生きている状態と死んでいる状態が重ね合わさった状態にある」という考えを観測者にも同じように適用してやると、「生きている猫を観測した観測者と死んでいる猫を観測した観測者が重ね合わさっている」という考え方ができるわけです。

つまり、世界のあらゆるものは波動関数によって表現され、観測によって何かが変わるわけではなく、そこでは生きている猫を観測した観測者と死んでいる猫を観測した観測者を表す2つの波動関数が存在しているだけである。となるわけです。我々はそのうちのどちらかの観測者であるわけですから結果として1つの状態しか観測できないということになります。

このように考えると、複数の状態の重ねあわせを観測したとき、そのそれぞれの状態を観測した観測者の重ねあわせに分岐する。言い換えれば、それぞれを観測した観測者が同時に存在するということが言えます。

これが多世界解釈です。一見するとパラレルワールド(平行世界)のようですが宇宙全体が分岐するわけではないので似て非なるものであるということは注意しなくてはいけません。

この考え方は波動関数の収束を考えなくていいのはありがたいのですが、さらに複雑な仮定を盛り込む必要があるらしく科学理論としてやや下火になっているらしいです。

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さて、ここまで「観測問題」について2つの考え方を紹介しましたがどちらにも問題点があります。まあ未解決問題なので論争が続いてるわけでしょうから不思議なことではありません。他には「量子デコヒーレンス」なんていう「コペンハーゲン解釈」とちょっと似たような考え方もあるようでシュレディンガーの猫に対してはかなり有力な考え方のようです。

こうしてみてみるとまだまだ科学も発展の余地を残しまくってるなーって感じますね。

ちなみにシュレディンガーの猫ですがこれはもともとは、量子力学というミクロの世界の考え方を猫のようなマクロな世界に適用したら、生きているか死んでいるかという明らかに目に見えて確認できる状態が重なり合っている結果になるという不思議さに対し、そんなことは現実にはあり得ないという批判のために発表されたものらしいです。

こんな感じで物理にはそんなに専門の知識がなくても不思議さを感じたり「へー。」と思えるような話題が転がっていますからまた機会があれば面白そうな話題を紹介できればと思います。