世紀の未解決事件：箱の中に猫を入れて毒の入った瓶を入れたら何が起こるのか？

「量子力学」というテーマについて聞いたことがあるかもしれませんし、「シュレーディンガーの猫」についても聞いたことがあるかもしれません。これは、箱の中に閉じ込められ、「死んでいる」状態にも「生きている」状態にもなり得る珍しい「猫」です。

待って、何が起こっているの？猫はどうして「死んでいる」と同時に「生きている」ことができるのでしょうか?

昨日は理論物理学者エルヴィン・シュレーディンガーの生誕135周年でした。 「死んでいる」と同時に「生きている」この猫について、そして「シュレーディンガーの猫」が100年近くもの間人々によって誤って使われてきた理由についてお話ししましょう。

エルヴィン・シュレーディンガー、画像出典: Wikipedia

まず第一に、シュレーディンガーの「猫」は本当の「猫」ではないということを述べなければなりません。シュレーディンガーは実際に猫をこのような状態にしたわけではありません。それは動物虐待になるからです。

「シュレーディンガーの猫」は、実はシュレーディンガーが提唱した思考実験であり、背理法による証明法を用いて反対者を論駁する思考実験です。シュレーディンガーは、反対者の主張が真実であれば、猫は同時に死んでいると同時に生きていることになると考えており、これは一見すると不合理で不可能なことです。このことから、相手の主張は明らかに真実ではないことがわかります。言い換えれば、シュレーディンガー自身は、猫が「死んでいる」と「生きている」の両方であると信じていなかったのです。

したがって、何かを「不条理」と表現するために使用される「シュレーディンガーの猫のように」というフレーズは、シュレーディンガーがそれを提案したときの本来の意味に近いと思われます。

画像元: pixabay

しかし、シュレーディンガーはなぜそのような思考実験を設計する手間をかけたのでしょうか?彼が反論したかった相手は誰ですか?それは量子力学のコペンハーゲン解釈です。

量子力学は20世紀に生まれた新しい学問です。ミクロの世界を支配するのは物理法則です。それは非常に直感に反する現象を数多く発見しました。たとえば、物理量は確率的に存在しているように見えます。つまり、ある値として測定されることもあれば、別の値として測定されることもあります。

これは奇妙だ。日常生活で小さなボールを回転させると、それが左に回転しているのか、右に回転しているのかは一目で間違いなくわかるはずです。量子力学の世界では、計測器による測定で明確な答えが得られますが、まったく同じに見える 2 つのボールが異なる答えを出す場合があります。

この現象をどう説明すればいいのでしょうか?量子力学では、粒子は「量子重ね合わせ」の状態で存在することができます。つまり、粒子は左利きと右利きの両方の状態で存在することができます。しかし、粒子が外部環境と結びついている場合、例えば人間が測定する場合などには、この重ね合わせ状態は「崩壊」する、つまり確率に従って特定の状態のいずれかになる、とコペンハーゲン解釈では考えられています。

これは確かに量子力学で遭遇する混乱した状況を説明できますが、常にいじめのように感じられます。状態が測定されるとすぐに消えてしまう場合、その状態が存在するとどうして言えるのでしょうか?アインシュタインやシュレーディンガーを含む多くの有名な物理学者は、この見解を受け入れることができませんでした。

アインシュタインと数回の議論を重ねた後、シュレーディンガーは問題の鍵を掴んだと感じ、シュレーディンガーの猫はコペンハーゲン解釈に対する反駁となった。

彼は、外界から完全に隔離された箱の中に猫を閉じ込めたと想像してみてほしいと言いました。箱の中に毒の瓶が入っています。この毒は、猫が放射線を浴びた時にのみ作動する仕組みになっており、毒の蓋が開いて猫が中毒死する。次に、私たちはその機構の横に放射性原子をいくつか置き、しばらく待ってから、猫に何が起こるか尋ねました。

シュレーディンガーの猫の思考実験、画像出典: Wikipedia

放射性原子は崩壊して放射線を放出しますが、このプロセスは量子力学によって制御されます。コペンハーゲン解釈によれば、原子が観察されない限り、崩壊と崩壊なしの重ね合わせ状態にある。同様に、放射線は存在する状態と存在しない状態が重ね合わさった状態にあるはずであり、メカニズムは活性化される状態と活性化されない状態が重ね合わさった状態にあるはずであり、毒物は放出される状態と放出されない状態が重ね合わさった状態にあるはずである。そのため、猫は生と死が重なり合った状態にあり、箱を開けたときにのみ真実が明らかになる。シュレーディンガーは、猫の生と死の重ね合わせは明らかに不合理であると信じ、原子の重ね合わせにも問題があることを証明するために遡ることができました。

しかし、これは結局のところ彼の主観的な意見です。結局のところ、これを検証するための隔離されたボックスを実際に作成できる人は誰もいません。猫が歩く音、猫の体温、さらには猫の呼吸による気圧の変化までもが箱を通して外部環境に伝わり、箱を開けなくても猫の生死を計測できる。

著作権画像、転載禁止

シュレーディンガーの猫の思考実験が提案された後、他の物理学者も量子力学の独自の説明を提案しました。例えば、デコヒーレンスの歴史では、放射線がメカニズムに当たると、量子状態が環境と相互作用してデコヒーレンスが生成され、その後、測定と崩壊が起こると考えられています。人が箱を開けるかどうかとは関係がないので、猫ではなく原子自体だけが重ね合わせ状態になります。猫の生と死は、互いに影響を及ぼさない、完全に独立した二つの歴史です。

多世界解釈というものもあり、原子が崩壊すると、実際には 2 つの異なる世界が作られると考えられています。1 つの世界では崩壊が起こり、猫は死にますが、もう 1 つの世界では崩壊は起こらず、猫はまだ生きています。 2 つの世界は非常に異なりますが、同じ世界を 2 つの直交方向に「投影」したものです。どちらの説明が正しいでしょうか?それぞれの説明は最終的には実験的に区別できない同じ物理現象につながるため、答えは物理学の範囲を超えている可能性があります。

レビュアー: 張文卓、クォンタム・クォンタムのCEO、中国科学技術大学の墨子チームの元研究員

この記事の表紙と一部の写真は著作権ギャラリーからのものであり、複製は許可されていません。