シュレーディンガーの猫が意味する真の内容とは?
シュレーディンガーの猫が意味する真の内容とは? / Credit:depositphotos
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2022.10.07 Friday

2022.05.04 Wednesday

「シュレーディンガーの猫」って結局どういう話なの? モヤモヤする部分を解説! (3/3)

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「シュレーディンガーの猫」が本当に言いたかったこと

ここで、シュレーディンガーの猫という思考実験が正確にはどういう内容だったのか見てみましょう。

【1匹の哀れな猫が鋼鉄の箱の中に悪魔的な装置と共に入れられています。

その装置はガイガー計数管の中に非常に少量の放射性物質を入れたもので、これが1時間後に原子崩壊する可能性は50%です。

ガイガー計が放射線を感知するとハンマーが稼働して青酸ガスの入った瓶を叩き割り猫は死にます。

原子崩壊は極めて量子的な現象で、それは観測するまで確率でしか状態を知ることが出来ません。

量子力学では、1時間後の原子は崩壊した状態と崩壊していない状態が50%で混合した状態と記述されます。

この場合、原子の崩壊に生死の運命を握られている箱の中の猫も、観測されるまで生きている状態と、死んでいる状態が重なり合った不可思議な状態にあるということになります。】

シュレーディンガーの猫の思考実験のイラストイメージ
シュレーディンガーの猫の思考実験のイラストイメージ / Credit:depositphotos

このバージョンの説明では、多くの人が原子崩壊うんぬんという部分にちょっと引っかかるかもしれません。

しかし、ここが量子世界とマクロな世界をつなげる重要ポイントです。

素粒子は物質のもっとも基本的な構成要素のため、それぞれを区別できる個性がありません。

これは同じ数の素粒子から構成される原子核も同様で、年齢といった要素も存在しないことを意味します

しかし、まったく同じ物なのに、重い原子核が起こす原子崩壊のタイミングはそれぞれで異なります

ある原子核は1時間後に崩壊したのに、まったく同じもう一個の原子核はいつまで経っても崩壊しない場合があるのです。

これは原子核の崩壊が完全な量子的振る舞いで決定されるものであり「観測するまで状態を決定できない」ということを意味しています。

シュレーディンガーはこの原子崩壊という確率的な振る舞いを、うまく取り入れた実験装置で、量子の世界の曖昧な状態を猫の死という私たちの目に見える世界の状態へとつなげたのです。

しかしこの実験モデルが正しいかどうかはさておき、「シュレーディンガーの猫」は実際に実験しても意味がありません

なぜなら一番の争点である、箱の中の猫が生きた状態と死んだ状態で重なり合っているのか、もしくは最初からどちらかの状態に確定されているかを判断する方法がないからです。

これではさきほど問題にしていた「観測するまで物事の状態は確定しない」のか、単純に「見るまで答えがわからない」だけなのか、どちらが真実か明らかにすることはできないのです。

なので、結局シュレーディンガーの猫は「話しとしては面白いけど、ただの哲学問答だよね」と徐々に忘れ去られていってしまったのです。

では、なぜこんなに現代でシュレーディンガーの猫がもてはやされることになったのでしょうか?

実は、これを本当に最初から状態が決まっているか、見た瞬間に決まっていたのか、検証する実験方法を考えついた物理学者が登場したのです。

その人物こそ、CERNの理論物理学ジョン・スチュワート・ベルです。

コペンハーゲン解釈の哲学的問題に決着を付けたジョン・スチュアート・ベルの肖像
コペンハーゲン解釈の哲学的問題に決着を付けたジョン・スチュアート・ベルの肖像 / Credit:CERN

彼はシュレーディンガーの猫の箱の蓋をこっそり開いて、隙間から中を覗いて猫の状態を確かめる方法を考え出したのです。

実際には彼の考え出したベルの定理(ベルの不等式)は、アインシュタインらが考案したEPR実験(のボームが改良したバージョン)において、電子のスピンをこっそり観測するというものでした。

ベルはこっそり覗いて確認できた観測結果が、初めから状態が決まっていた場合と、見た瞬間に状態が決まった場合では、ばらつき方が異なるということを数学的に示したのです。

そして1980年代に、フランスの物理学者アラン・アスペがこのアイデアを元にした実験で、「観測した瞬間に物事の状態が決定される」というコペンハーゲン解釈の方が正しいことを証明します。

(追記:アラン・アスペはこのときの成果から2022年ノーベル物理学賞を受賞しました)

2022年ノーベル物理学賞受賞者。赤丸がアラン・アスペ教授。
2022年ノーベル物理学賞受賞者。赤丸がアラン・アスペ教授。 / Credit:The Nobel Prize in Physics 2022

これらの経緯や実験は現代の量子力学の進展に非常に重要なものでしたが、ほとんどの人には理解することが難しいお話です。

そのため非常にわかりやすい例え話「シュレーディンガーの猫」が、再び返り咲くことになったのです。

「シュレーディンガーの猫」を例えに使えば、蓋を開けて覗いた瞬間に、猫の生死は決定されていて、それまでは状態が決まっていなかったと証明できたんですよ、と説明することができます。

もちろん、これは量子世界の出来事をマクロな世界につなげて考えていいと言っているわけではありません。

しかし、これは長い歴史の中で物理学者たちがイメージの難しい問題に視覚的イメージを持たせて説明しようと努力してきた仕事の集大成と言えるものです。

だからこそ、シュレーディンガーの猫は多くの人々に愛され、関心を持たれる逸話となったのです。

たとえそれが、シュレーディンガーの意図とは真逆の使い方だったとしても。

そんな紆余曲折があったからこそ、シュレーディンガーの猫はわかりやすい解説であると同時に、なんか釈然としない話にもなっているわけです。

ここでは省略しましたが、シュレーディンガーが量子論の確率解釈を嫌った理由や ベルの定理のもう少し具体的な内容を聞きたいという人は、下の記事を読んでみてください。

歴史で学ぶ量子力学【改訂版・3】「私の波動方程式がこんな風に使われるのなら、論文などにしなければよかった」

歴史で学ぶ量子力学【改訂版・4(最終章)】「量子力学を理解しているものは、一人もいないと言ってよい」

【編集注 2022.10.06 11:30】
2022年ノーベル物理学賞の発表に際して、一部を加筆修正。

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