量子測定問題は問題でしょうか?

量子測定の問題は量子力学の発展において避けられない問題です。これは量子力学の本質に関わるものであり、関連する議論は今日まで続いています。物理学者の間では意見が分かれている。このテキストの著者である ND Mermin は、量子力学には測定の問題は存在しないと考えています。つまり、物理システムには「実際の」量子状態は存在せず、その状態は物理学者の選択と計算によって決まるということです。もちろん、多くの物理学者にとって、量子力学の解釈に対する態度は「黙って計算しろ！」というものです。興味深いことに、常にファインマンの言葉とされるこの有名な引用文は、実は最初に N.D. マーミンによって書かれたものです。

著者：ND マーミン（コーネル大学物理学名誉教授）

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波動関数の崩壊が物理的なプロセスであるという考えは、確率とそれが量子力学で果たす役割についての誤解から生じています。

- 著者

量子物理学者は3つのタイプに分けられる: (1) 量子力学はいわゆる測定問題によって損なわれていると考える人たち。 （２）私のように測定の問題はないと考える人たち（３）その問題は真剣に検討する価値がないと考える人々マクシミリアン・シュロスハウアーの著書『エレガンスとエニグマ』の第 7 章では、最初の 2 つのカテゴリに属する​​ 17 人の物理学者と哲学者のさまざまな見解を見つけることができます。

これら 3 つのカテゴリーに属するほとんどの人は、次のことに同意するでしょう。量子力学は量子状態の観点から物理システムを完全に記述します。状態は、システム内のあらゆる可能な質問に対するあらゆる可能な回答の確率の要約です。量子力学は本質的に統計的なものである。そして、より深い理論でこれ以上完全な説明を与えることはできません。

システムに割り当てられた状態は、時間とともに 2 つの方法で変化します。システムに対して測定が行われない場合[1]、その状態は時間の経過とともに決定論的に、つまり連続的に、与えられたルールに従って進化します。システムに質問（測定を行う）すると、システムが応答するときに、状態は、測定前の状態と測定に対するシステムの特定の応答の両方に依存する状態に不連続的に変化します。 2 番目のプロセスは、国家の崩壊と呼ばれます。崩壊は通常、突然、不連続かつランダムに起こります。

物理システムと、特定の測定を実行する別の物理システム (測定装置) は、量子力学によって単一の複合システムとして扱うことができます。測定しない場合、量子力学はシステムに割り当てられた状態に対して決定論的な時間発展を与えます。ただし、代わりに複合システム全体の測定が行われる場合、複合システムに割り当てられた状態によって、元のシステムに割り当てられた状態によって与えられた可能な回答と、これらの可能な回答を示す測定装置の状態とを関連付ける確率が決まります。これらの関連する確率は、元の個々のシステムに対して量子力学によって与えられた確率です。したがって、確率に関する限り、量子力学を元のシステムだけに適用するか、元のシステム + (測定) デバイスの複合システムに適用するかは違いはありません。

カテゴリー（2）の物理学者の多くは、量子状態の割り当てはすべての確率の生成以外には何の影響も与えないと付け加えるだろう。多くの（おそらくほとんどの）物理学者は確率を世界の客観的な特徴と見なしていますが、ほとんどの確率論者や統計学者はそれをそのようには見ていません。有名な確率論者ブルーノ・デ・フィネッティは 1931 年にこう述べています。「フロギストン、宇宙のエーテル、絶対空間と時間、あるいは妖精や魔女の存在についての迷信的な概念を捨てることは、科学的思考への重要な一歩です。確率についても同じことが言えます。確率を客観的なものとみなすと、それは誤解を招く誤謬であり、確率に対する私たちの実際の信念を外部化または具体化しようとする幻想的な試みです。」

確率的信念を具体化する物理学者は、この情報のカタログにすぎない量子状態も具体化する必要があります。しかし、確率を個人的な判断として考える物理学者は、必然的に、自分が割り当てる量子状態を自分の判断のカタログとして考えます。今世紀の変わり目に、カールトン・ケイブス、クリストファー・フックス、およびルディガー・シャックは、システムの量子状態は、そのシステムに量子状態を割り当てる特定の物理学者の信念のみを表現し、それが量子力学の解釈の鍵となることを強調しました。

量子測定問題

測定の問題は、測定をシステム自体と見るか、システム + 測定装置と見るかという 2 つの異なる方法から生じます。システム自体が測定されると、その状態は崩壊します。しかし、計測装置がチェックされていない場合は、複合システム＋計測装置の状態は崩れません。どの説明が正しいでしょうか?どちらが本当の状態でしょうか?

（2）のカテゴリーで物理学者が与える答えは、物理システムの実際の状態は存在しないというものである。何を物理システムとして選択し、それにどのような状態を割り当てるかは、そのシステムを測定し、量子力学を使用して答えの確率を計算する特定の物理学者の判断に委ねられます。

連続的な時間発展とランダムな時間発展の間のこの相互作用は、通常の古典的な確率の特徴でもあります。統計学者がシステムに関する質問の回答に確率を割り当てるとき、それらの確率が時間の経過とともにどのように変化するかのパターンは、孤立した未テストのシステムの定常的な時間発展によって与えられます。しかし、これらの確率は、統計学者が他の情報源からシステムについて得る追加情報にも依存します。確率の更新は、古典的なプロセスにおける突然変異的かつ不連続的な部分です。古典的な測定問題について心配した人は誰もいませんでした。

量子状態に含まれるのがその発生確率のカタログだけであるならば、量子力学を使用するすべての物理学者は統計学者の役割を果たすことになります。物理学者が計測機器の表示を読んだり、他の物理学者とコミュニケーションをとったり、あるいは単に自分がすでに知っていることを再考したりしてさらなる情報を得ると、これらの確率が突然変化し、それらを表す量子状態が更新されることがあります。量子測定の問題はありません。

最初のカテゴリーの物理学者は、測定の問題にさまざまな方法でアプローチします。

量子力学に関する優れた研究において、ランダウとリフシッツは、量子力学は観察者の概念的な道具として見るべきではないと主張した。これにより、測定は量子オブジェクトと古典オブジェクト間の相互作用であると主張するに至りました。 2 つのタイプをどのように区別するかは、決して説明されないが、彼らの (暗黙の) 測定問題である。

他のモデルでは、マクロ的に多くの自由度を含むサブシステムとのみ有意に相互作用する特殊な種類の物理的ノイズを導入することで、観察者の存在を排除します。この特殊なノイズは、客観的な状態の客観的な崩壊のための物理的なメカニズムを提供するように設計されています。彼らは新しい物理的プロセスを導入することで測定の問題を解決しました。

さらに、崩壊を完全に排除することで各物理学者の個々の判断を排除する人もいます。彼らは量子状態を用いて、あらゆる測定のあらゆる結果を含む、信じられないほど大きく、連続的に分岐する宇宙（多世界解釈[2]）を記述します。

これらの解決策はすべて、量子状態が、量子力学の各ユーザーが物理システムについて下した個人的な判断のカタログではなく、それらが記述する物理システムの客観的な特性であると想定しています。

科学者を「山に」派遣する[3]

なぜ科学の法則を客観的に理解する必要があるのでしょうか?科学は人間の活動であり、その法則は人間の言語で表現されます。経験主義者であるほとんどの科学者は、世界に対する理解は個人的な経験に基づいていると信じています。私が経験する世界を理解するために使用する科学の説明が、私自身に決して言及すべきではないとなぜ主張するのでしょうか?解がないか、または互換性のない解が多数存在する「量子測定問題」の存在は、統計学者の経験が通常の確率論を理解する上で重要な役割を果たすのと同様に、科学者の経験が量子論を理解する上で重要な役割を果たすことの強力な証拠です。

多くの物理学者はこの考えを否定し、物理学者が存在するずっと以前、初期の宇宙で量子状態は崩壊したと主張している。統計学者が存在するずっと前の宇宙の初期段階で確率が更新されたとも彼らは信じていたのだろうか。

ニールス・ボーアは量子測定の問題について一度も言及しなかった。最後に、上記の点を簡潔に表現した彼の言葉を引用します。つまり、2 度現れる「私たち」が、私たち全員の集合体としてではなく、私たち一人ひとりとして理解される限り、そのような問題はないということです。「自然を記述する目的は、現象の真の性質を明らかにすることではなく、私たちの経験のさまざまな側面の関係を可能な限り追跡することです。」未確認の一人称複数形のこの曖昧さが、量子力学の解釈において今もなお悩まされている多くの誤解の原因であると私は考えています。

詳細情報

1. M. Schlosshauer 編、『Elegance and Enigma: The Quantum Interviews』、Springer、2011 年、第 1 章。 7.

2. B. De Finetti、「確率理論」、インターサイエンス、1990年、序文。 （Probabilismoの翻訳、Logos 14（Napoli）163-219（1931））

3. CA Fuchs と R. Schack、「量子ベイジアンコヒーレンス」、Reviews of Modern Physics 85、1693 (2013)。

4. ND Mermin、「量子力学の理解を深める」、物理学の進歩に関する報告書、82、012002 (2019)。

5. N. ボーア「原子論と自然の記述」、ケンブリッジ大学出版局、1934 年、p. 18.

注記

[1] 原文は「システムに対して何の疑問も持たないならば」である。

[2] 多世界解釈。

[3] 原文は「科学者を科学の中に留めておけ」です。

この記事は著者ND Mermin氏の許可を得てFanpuに翻訳され掲載されました。これはarXiv:2206.10741から翻訳されたもので、元のタイトルは「量子測定問題に関するメモ」でした。原著者はこれを「量子測定問題は存在しない」というタイトルでPhysics Today 75, 6, 62 (2022)に発表した。
https://doi.org/10.1063/PT.3.5027。

制作：中国科学普及-星空プロジェクト

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