「シュレーディンガーの猫」をご存じでしょうか？
量子力学における理論に関して議論するための思考実験の一つです。
名前を聞いたことがあってもよく知らない、わからない人は多いのではないかと思います。
パラバース博士この記事では、量子力学を知らなくても、1から量子力学とシュレーディンガーの猫について理解できるよう解説します。
「シュレーディンガーの猫」とは？
シュレーディンガーの猫は、物理学者のシュレーディンガーが、量子力学におけるある定説を批判するために1935年に発表した思考実験です。
そもそもシュレーディンガーは、量子力学の創始者のひとりでした。
量子力学の創始者である人が、量子力学を批判したんですか？
パラバース博士そうなのです。学問を進めるうちに、量子力学の矛盾のように思えるこのパラドックスに行き着いたのは、ある意味での皮肉と言えますね。
量子力学において、ミクロの世界では、「粒子と波の状態が重なり合う」「観測するまで状態は確定しない」と説明されます。
シュレーディンガーはこの定説を批判するために、次のような思考実験を考案しました。
中が見えない箱がある。
箱の中には放射線検出器、それに連動した毒ガス発生装置がある。
放射線検出器の前に、ウランという放射性元素を含む物質を置き、箱に猫を入れる。
ウランの原子核が崩壊して放射線が出れば検出器が作動して毒ガスが漏れ出し、猫は死んでしまう。
量子力学の原則に則れば、ウランの原子核が崩壊したか崩壊していないかは箱を開けて観測しないと確定しない。
とすると、箱を開けるまで猫の生死も確定せず、生きた状態と死んだ状態が重なり合った猫が存在することになる。
そんなことはあり得るのだろうか？
生きている状態と死んでいる状態が重なっている…？
どういうことでしょうか…
パラバース博士量子力学の世界では、「物の状態が重なり合う」ことは当然のことのように起こるのです。まずはその量子力学の特徴について説明しようと思います。
そもそも量子力学とは？
量子力学という言葉がもう難しそうです…
パラバース博士そうですよね。でも「量子コンピュータ」といった言葉を聞いたことはないですか？身近なところではスマートフォンにも量子力学は使われています。
私たちの近くにも量子力学はあったんですね！
量子力学の特徴2つ
- 粒子と波の性質を併せ持つ(二重性)
- 観測するまで状態が確定しない(非実在性)
粒子と波の性質を併せ持つ、二重性
量子力学では、「電子のようなミクロな物質は波と粒子の両方の性質を併せ持つ」と説明されます。
パラバース博士粒子、と聞いてどのようなものをイメージしますか？
小さな丸い粒のようなものでしょうか？
パラバース博士そのようなイメージでいいと思います。では、波はどのようなものをイメージしますか？
水の波のようなものですかね…。
パラバース博士はい、そのイメージで大丈夫です。
この二つは全く違う性質を持ちますが、量子力学の世界では「あるときは粒子、あるときは波となる」のです。
粒子でもあり波でもある…？そんなことってあり得るんですか？
パラバース博士はい、むしろ量子力学ではそこがポイントなのです。
観測するまで状態が確定しない、非実在性
状態が確定しない？ってどういうことでしょうか…
パラバース博士イメージしづらいですよね。非実在性について理解しやすいある実験とその結果を使って、二重性とともに解説します。
ヤングの実験(2重スリット実験)
パラバース博士実験の説明の前に、波の性質についてお話します。
波の性質「干渉」について
波には山と谷のようになっている部分があります。
波と波がぶつかったときに互いが影響しあって、新しい波を作る現象を「干渉」といいます。
上に振れた波を山、下に振れた波を谷と呼ぶことにします。
同じ大きさの二つの波が合わさって山と山がぶつかると、2つ分の波が重ね合わさって、波の大きさは2倍になります。
山と谷がぶつかると、2つの波が打ち消しあって波は消えます。
パラバース博士波のこの特徴を覚えておいてください。
2重スリット実験の概要
電子が一つずつ発射される電子銃というものがあり、発射された電子がスクリーンに届くとその跡が記録されるようになっています。
スクリーンの前に、二つの穴が開いたスリットを置き、電子を発射します。
パラバース博士スクリーンにはどのような跡ができると思いますか？
電子銃とスリットの直線状に跡ができるんじゃないでしょうか？
パラバース博士そう思えますよね。電子が粒子であれば、スリットに対してまっすぐに進んでいきスクリーンに映し出されるので、電子の跡はこのようになるはずです。
パラバース博士ですが、電子を発射すると干渉波のような跡が現れるのです。
この跡を干渉縞(かんしょうじま)と言います。これは、電子が波でないと説明がつきません。
電子って粒子なんだと思っていました…
パラバース博士粒子ではない、というわけではありません。実際、スクリーンに映し出された電子の跡のひとつひとつは粒子状なので、粒子でもあるのです。これが、「粒子と波、どちらの性質も併せ持つ」ということです。
スリットを通るときは波の性質、スクリーンに到達したときは粒子の性質を持っているのです。
これが、量子力学における「二重性」です。
観測すると、結果が変わる？
電子がスリットを通るときに波の性質を持っているなら、スリットを通るときに監視カメラのようなもので電子を観測してしまえば波の状態の電子を観測できるはずです。
パラバース博士監視カメラで観測したとき、スクリーンにはどのような跡ができると思いますか？
さっきと同じように、干渉縞ができるんじゃないですか？
パラバース博士そう思いますよね。ですが、電子を観測しながらこの実験を行うと、電子は終始、粒子の動きをし、干渉縞は現れません。
えっ！さっきは波だったのに、観測すると粒子になってしまうんですか？
どちらのスリットを通ったかを、
① 観測しないと、干渉縞ができる (波の性質)
② 観測すると、干渉縞が消える (粒子の性質)
干渉縞とは、電子が存在する可能性があるという「可能性の波」なのです。
電子が波の性質を持っているとき、電子は発射された後どちらのスリットも通る可能性があります。
その可能性の波が広がっているところを観測して状態を確認することによって、可能性の波をなくしてしまったのです。
パラバース博士さらに、監視カメラの電源を切ったり、監視カメラで記録した後その内容を確認せずに消去すると、干渉縞は現れます。
えー！そこに監視カメラがあることや映像を撮っていることではなくて、観測することが結果に影響するんですね…
パラバース博士その通りです。観測するまで、状態が可能性の波のように広がっているこの性質を、非実在性というのです。
シュレーディンガーの主張
ミクロの世界では重ね合わせの状態や、観察するまで状態が確定しないようなことが起こるというのは分かりました。
でも、猫の生死が重ね合わさる、というのがよく分かりません…
箱の中の猫を観察していなくても、死んでいるときは死んでいるし、生きているときは生きていますよね？
パラバース博士私たちは「生死のどちらの状態も重ね合わさった猫」を見たことがないので、そんなことはありえないように思えますよね。
この、直感に反するように思える例え話を使って、量子力学の「二重性」「非実在性」を批判したのが、シュレーディンガーだったのです。
シュレーディンガーは、冒頭の猫の話を用いて「量子力学の二重性が成り立つとすると、生きた状態の猫と死んだ状態の猫が共存し得ることになってしまうが、これはありえない。この解釈にはなにか欠陥があるはずだ」と指摘しました。
量子というミクロの世界で起こる二重性という性質を、マクロの世界に置き換えて批判したのです。
このパラドックスについては、まだ決定的な答えが出ていません。
量子力学は、ミクロの世界でしか適用されないのか？
だとすれば、ミクロの世界とマクロの世界の境目はどこにあるのか？
パラバース博士マクロの世界でも「重ね合わせ」が起こるとすると、私たちが生きている状態と死んでいる状態の重ね合わせも起こり得るかもしれません。
そう考えると怖いですね…！
シュレーディンガーの猫の解釈
量子力学で、「二重性」や「非実在性」がなぜ起こるのかの解釈として、有名なものを2つ紹介します。
シュレーディンガーの猫で考えるとどうなるのか？というのも同時に解説します。
量子力学についての考え方
- コペンハーゲン解釈 (主流)
- 多世界解釈
コペンハーゲン解釈
コペンハーゲン解釈は、デンマークの理論物理学者ニールス・ボーアらが展開した考え方です。
現在では多くの学者が、この解釈を支持しています。
ミクロの世界において、観測する前は可能性が波のように広がっており、観測すると波が「収縮」して粒子としての姿を現す、という考え方です。
この、可能性の波が広がっていて、確定していない状態を確率解釈といいます。
パラバース博士シュレーディンガーの猫で例えてみましょう。
箱の中の猫は、生きている可能性と死んでいる可能性の波として存在していて、観測することで可能性の波が収縮してどちらかの状態に確定し、生きた猫、あるいは死んだ猫が観測されます。
多世界解釈
コペンハーゲン解釈では、観測されなかった状態がどこへ消えるのかは説明されていません。
一方、多世界解釈では、観測後でも複数の状態が残っていると考えます。
観測することで世界Aと世界Bというパラレルワールドのようなものに分岐するという考え方です。
シュレーディンガーの猫で考えると、猫が生きている世界と死んでいる世界に分岐して、それぞれの世界は干渉せず、独立した世界として存在し続けます。
パラバース博士この解釈が正しいとするならば、この宇宙も世界の分岐を繰り返してきたことになります。そして、その分岐先の世界の一つにいるのが私たち人類と考えることができます。
まとめ
ミクロの世界には、まだ分かっていないことが山ほどあります。
量子力学の二重性や非実在性が理解しがたいように、ミクロの世界では、マクロの世界で考えられない不思議なことが起こるのです。
しかし私たちの生きるマクロの世界は、ミクロの世界の集合体のはず。
「シュレーディンガーの猫」のような、生きた状態の死んだ状態の重なり合いということも起こるのかもしれません。
量子力学って何もかもが直感に反するように思えるけれどそれが事実なら、生きた状態と死んだ状態の重ね合わせというのも、あり得るのかもと思わされてしまいますね。
パラバース博士その通り、量子力学は直感に反することをまずは受け入れる、ということが重要なのです。量子力学の今後の発展に期待ですね。
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