シュレーディンガーの猫

シュレーディンガーによる思考実験

シュレーディンガーの猫(シュレーディンガーのねこ、シュレディンガーの猫とも、: Schrödinger's cat)は、1935年にオーストリア物理学者エルヴィン・シュレーディンガーが発表した物理学的実在の量子力学的記述が不完全であると説明するために用いた、を使った思考実験。シュレーディンガーは、EPR論文を補足する論文の中で、観測されない限り重ね合わせであるとして記述すると巨視系の状態が状態見分けの原理(巨視的な観測をすれば区別できる巨視系の諸状態は観測の有無にかかわらず区別できるとする原理)を満たさないことを示す具体例としてこの思考実験を用いた[1]

量子力学
不確定性原理
序論英語版 · 数学的定式化

前史・背景編集

ニュートン以来の古典物理学においては、「最初の条件さえ決まれば、以後の物質の状態や運動はすべて確定される」と考えられている(決定論[2]量子論の場合隠れた変数が存在するとも呼ばれている[3]

19世紀末から20世紀初頭に始まった量子論ないし量子力学は、1926年にエルヴィン・シュレーディンガーが波動方程式を導出し、さらにシュレーディンガー方程式波動関数)によって量子の状態を確率的に定めることができる数式を発見した[4]。これは重要な発見と見なされたが、あくまで「確率的に予想する」と考えられ(非決定論)、それまでの物理学の考えに反し、シュレーディンガー自身、「量子の状態は決定論的に予想することが可能で、まだ途上である」と考えていた。当時の多くの物理学者達も共通の考えでもあった[5]

その後1927年にニールス・ボーア率いるコペンハーゲン学派は、ヴェルナー・ハイゼンベルク不確定性原理を発表。これについて佐藤勝彦は「量子の状態はそもそも不確定的ないし確率的であり、事象は重なり合った状態で存在し、それを人間が観測することによって事象が収縮して結果が定まるという常識を覆す理論であった」と説明し[6]、「波動関数は、それ自体で既に完成しているのであり、量子の状態を決定論的に表すことはできない」と見なした。マクロの世界の法則とは全く異なるという批判に対し、量子力学者たちは、ミクロの世界の特殊性を挙げて反論した。こうした情勢の中で1935年にシュレーディンガーが発表した思考実験が後に「シュレディンガーの猫」と呼ばれるものとなった[7]

猫の生死に関する思考実験編集

 
「シュレーディンガーの猫」のイメージ図

ジョン・フォン・ノイマンは自著『量子力学の数学的基礎』において、隠れた変数理論の否定的証明を行い(ノイマンのNO-GO定理)、計算上で観測時に観測結果を選びとる射影公準を提唱し、観測する側とされる側の境界をどこにでも設定できるとした。 1935年、シュレディンガーはドイツ科学誌上で論文『量子力学の現状について』を発表し、射影公準における収縮がどの段階で起きるのかが明確でないことによって引き起こされる矛盾を示した[8]。一方で、佐藤勝彦は、その中で猫を使った思考実験を用いて、ミクロの世界に特有な確率解釈の矛盾を突くことで、量子力学が未だ不完全な学問であることを証明しようとしたとしている[9]。実験の内容は以下のとおりである。

猫と放射性元素のある密閉した鋼鉄の箱の中で、放射性元素の1時間あたりの原子放射性崩壊確率を50%とし、ガイガー計数管が原子崩壊を検知すると電気的に猫が殺される仕掛けにすると、1時間経過時点における原子の状態を表す関数

|原子の状態|=|放射線を放出した|+|放射線を放出していない|

という二つの状態の50%ずつの重ね合わせによって表される。その結果、猫の生死は、

|箱の中の状態|=|(放射線が放出されたので)猫が死んでいる|+|(放射線が放出されていないので)猫は生きている|

という50%ずつの重ね合わせの状態になり、箱の中では箱を開けてそれを確認するまで猫が死んでいる状態と生きている状態の重ね合わせになる。もしもこれが現実を記述しているとすれば、「巨視的な観測をする場合には、明確に区別して認識される巨視的な系の諸状態は、観測がされていてもいなくても区別される」という“状態見分けの原理”と矛盾する。シュレーディンガーはこのことをもって、量子力学的記述は未完成であると主張した[1]。蓋のある密閉状態の箱を用意し、この中に猫を1匹入れる。箱の中には他に少量の放射性物質とガイガーカウンター、それで作動される青酸ガスの発生装置がある。放射性物質は1時間の内に原子崩壊する可能性が50%であり、もしも崩壊した場合は青酸ガスが発生して猫は死ぬ。逆に原子崩壊しなければ毒ガスは発生せず猫が死ぬことはない。「観測者が箱を開けるまでは、猫の生死は決定していない」とされている[10]。原子がいつ崩壊するのかは量子力学的には確率的にしか説明することができない。観測者が見るまでは、箱の中の原子が崩壊している事象と崩壊していない事象は重なり合って存在している。観測者が確認をした瞬間に事象が収縮して結果が定まる。シュレディンガーはこれを「猫の生死」という事象に結び付け、「観測者が箱の中身を確認するまでは、猫の生死は確定しておらず(非決定)、観測者が蓋を開けて中を確認した時に初めて事象が収縮して、それにより猫の生死が決まるとして、箱を開けるまでは、生きている猫の状態と死んだ猫の状態が重なり合って存在している」という意味に解釈し[11]、「ミクロの世界の特殊性」を前提にした量子力学者たちの説明に対して、「マクロの事象」を展開することによって「量子力学の確率解釈」が誤っていることを証明しようとした[12]

解決策編集

Henry Margenauは射影公準を放棄すればERP問題は解決するとしている[1]

一方で、ヒラリー・パトナムは、たいていの物理学者は、量子力学とは別の付加的な仮定として巨視的な観測が常に明確な値を保持する原理を受け入れており、この原理を元に測定がいつ起こらなければならないかを導き出しており、その結果として波動関数の収縮は巨視的な重ね合わせが予想される直前に起きるとしている[1]

量子測定理論編集

量子測定理論では、理想測定と見なせる境目(Heisenberg cut)までは観測装置も量子論に従う系の一部として扱い、そこから先の測定系は射影公準により遮断できるとされており[13][14][8]、渡部鉄兵は、猫の運命はアルファ粒子とガイガーカウンターの相互作用が終了する時刻に決まるとしている[8]。なお、渡部は、観測問題の解決手段として次の条件(B)を否定した場合の批判がこの思考実験だとしている[8]

  • (A)固有値と固有状態のリンク
  • (B)孤立系のシュレディンガー方程式に従った波動関数の時間的発展
  • (C)測定により測定値が得られる事実

シュレディンガーの猫が指摘した詳論編集

イリヤ・プリゴジンは、量子論としての結論は「観測結果に観測者の積極的な役割を取り入れるべきだ」というものだとしている[15]

哲学への影響編集

この思考実験は哲学の次の二つの分野でもしばしば議題に上り、一つは量子力学の解釈問題の議論の前提となる科学的定義に関する科学哲学においてであり[16]、量子力学の理論的枠組みが、従来の科学哲学に基づいた定義にそぐわないことを指摘する上で、この思考実験が引用されている。もう一つは心の哲学において心の因果作用(「物理領域の因果的閉鎖性」参照)を議論するに際して、量子力学の確率過程が問題となってくる場合においてである[17]

大衆文化編集

シュレディンガーの猫およびそれをモチーフとした設定やフレーズは、SFのみならず、ミステリを含めた創作に多数登場する。日本における流行について、自作『異次元の館の殺人』で使用している作家芦辺拓は、日本人好みの無常観が背景にあるのではないかと指摘している[18]

脚注編集

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出典編集

  1. ^ a b c d マックス・ヤンマー著/井上健訳『量子力学の哲学』p.251-261
  2. ^ 佐藤勝彦 2000, pp. 140–141, 174
  3. ^ 佐藤勝彦 2000, pp. 177–178
  4. ^ 佐藤勝彦 2000, pp. 117–121
  5. ^ 佐藤勝彦 2000, pp. 140–144
  6. ^ 佐藤勝彦 2000, pp. 140–144
  7. ^ 佐藤勝彦 2000, pp. 191–201
  8. ^ a b c d 白井仁人、東克明、森田邦久、渡部鉄兵『量子という謎 量子力学の哲学入門』(勁草書房 2012年 ISBN 978-4-326-70075-2)pp.3-16
  9. ^ 佐藤勝彦 2000, pp. 191–201
  10. ^ 佐藤勝彦 2000, pp. 191–201
  11. ^ 佐藤勝彦 2000, pp. 191–201
  12. ^ 佐藤勝彦 2000, pp. 191–201
  13. ^ Modern Theory of Quantum Measurement and its Applications清水明/東京大学大学院
  14. ^ 量子測定の原理とその問題点」清水明/数理科学NO.469,JULY 2002
  15. ^ I.プリゴジン著/小出昭一郎・安孫子誠訳『存在から発展へ』pp.76〜78
  16. ^ 高林武彦 著、保江邦夫 編『量子力学 観測と解釈問題』海鳴社 2001年 ISBN 4-87525-204-8
  17. ^ デイヴィッド・チャーマーズ著, 林 一訳『意識する心』(2001年 ISBN 4-8269-0106-2)の407-435頁「量子力学の解釈」
  18. ^ シュレディンガーの猫 エンタメ彩る/ありえた世界は「今を変える希望」朝日新聞』朝刊2021年5月30日(扉面)2021年7月25日閲覧

参考文献編集

関連項目編集