物理学の四大怪獣の一つ「シュレーディンガーの猫」にはどんな謎が隠されているのでしょうか？

制作：中国科学普及協会

著者: ルアン・チュンヤン (清華大学物理学科)

プロデューサー: 中国科学博覧会

量子力学に関しては、その素晴らしい現象に魅了され、量子の世界の謎を垣間見たいと願う人もいます。量子力学を謎とみなし、さまざまな複雑な概念を聞くと混乱してしまう人もいます。では、量子力学とは一体何なのでしょうか?

実際のところ、量子力学はそれほど神秘的なものではありません。それは物理学の成熟した分野へと発展しました。 19 世紀末には、ミクロの世界の継続的な探究により、物理学者は、マクロの世界に適用できる古典物理学の理論では、ミクロの世界の動作法則や特定の驚くべき現象を説明できないことに徐々に気づきました。そこで物理学者たちはたゆまぬ努力を重ね、ついにミクロの世界を記述する物理理論、つまり「量子力学」を発見したのです。

量子力学で記述されるミクロの世界が、私たちが暮らすマクロの世界と異なるからこそ、私たちは常に古典物理学の理論を使って問題を考えることに慣れており、量子力学を理解するのは難しいのです。しかし、量子力学の本質を理解するには、「量子もつれ」という中核概念を理解するだけで十分です。

量子もつれ - 量子力学理論の核となる概念

皆さんの多くは量子もつれという言葉を聞いたことがあると思いますが、おそらくそれについて深く理解しているわけではないでしょう。

量子力学の理論体系では、複数の微小粒子が相互作用すると、その後、それらの微小粒子がどれだけ離れていても、それらの微小粒子の物理量は全体としてしか記述できず、単一の微小粒子の物理量を個別に記述することはできなくなります。この現象はミクロの世界にのみ存在し、システム全体の物理量を記述するもので、「量子もつれ」と呼ばれます。

ここでは、量子もつれの素晴らしさをより直感的に体験できる例を示します。たとえば、物理学者は陽電子と電子を衝突させて消滅させ、光子対を放出することができます (陽電子と電子の概念を心配する必要はなく、光子対の全体的な物理量が保存される必要があることを理解するだけで済みます)。

一対の光子の総物理量は常に保存されるため、2 つの光子がどれだけ離れていても、一方の光子が変化すると、もう一方の光子も直ちに変化します。したがって、光子のペアがどれだけ離れていても、それらは常に「量子もつれ」の状態にあります。

量子もつれの模式図

（写真提供：VEERギャラリー）

この量子もつれの現象は信じられないものです。なぜなら、光子対がこの素晴らしい相互作用を維持するには、光子対間の信号伝送を瞬時に完了する必要があるからです。この瞬間的な超光速相互作用は、マクロの世界における私たちの常識に反しており、そのためしばらくの間は理解できません。

実際、量子もつれを理解できないのは私たちだけではなく、多くの物理学者でさえ、この素晴らしい微視的現象を説明するのが難しいと感じています。アインシュタインでさえ、量子もつれは「幽霊のような相互作用」であると嘆いた。

19 世紀末以来、数え切れないほどの物理学者がアイデアの衝突を繰り返しながら、量子もつれの謎を徐々に解明してきました。長い議論の中で、人々は徐々にミクロの世界の作用法則を発見し、量子力学の理論体系をさらに充実させ、改善していきました。

では、私たち一般人は、この素晴らしく複雑なミクロの世界における量子力学の謎をどうやって解明できるのでしょうか?著者と一緒に 100 年の時空を旅し、量子もつれに関する物理学の巨匠たちの最高峰の対決を体験してみませんか。

古典物理学と量子物理学

19 世紀後半から 20 世紀初頭にかけて、当時の物理学界では 2 つの主要な学派が生まれ、今日まで影響を与えています。一つはアインシュタインとシュレーディンガーに代表される「古典物理学学派」であり、もう一つはボーアとハイゼンベルクに代表される「量子物理学学派」である。

アインシュタインの漫画

（写真提供：VEERギャラリー）

名前が示すように、古典物理学学派は常に古典物理学理論の観点から出発し、マクロな世界での経験を利用して物理的な問題について考えることを主張します。たとえば、アインシュタインは、私たちが住む物理世界はランダムな確率で満ちているのではなく、「決定論的」であるべきだと常に強調してきました。さらに、完全な物理理論は厳密な「現実性」と「局所性」にも従う必要があります。

上記の「確実性」は、次のように簡単に理解できます。振動するサイコロのすべての物理的情報（質量、速度など）がわかれば、物理法則を通じてサイコロの点の数を計算できます。言い換えれば、サイコロを振ること自体は確率的な出来事ではありませんが、十分な物理的情報がないため、サイコロを振った結果がわかりません。

「現実」とは、物理世界の特性が私たちの観察に依存するのではなく、それ自体が現実であることを意味します。それは、私たちが夜空を見上げようとなかろうと、月はいつもそこにあって消えないようなものです。

最後の「局所性」とは、物体間に相互作用があるが、この相互作用の伝達速度は瞬時どころか光速を超えることはできないことを意味します。これは、アインシュタインの特殊相対性理論によれば、光の速度が宇宙で最も速い速度であるからです。

ニールス・ボーア

(画像出典: Wikipedia)

しかし、ボーアとハイゼンベルクに代表される量子物理学派はそうは考えていません。

古典物理学派が提唱する確実性に対して、量子物理学派は、ミクロの世界は統計的な意味での確率的性質に従うべきであり、マクロの世界のように必ずしも確実な結果に対応するわけではないことを強調しています。したがって、ミクロの世界は本質的に「確率的」です。

ここでの「確率」とは、ミクロの世界では物質の状態が不確実であることを意味します。こんな感じかもしれないし、ああかもしれない。こうなる可能性やああなる可能性はある程度あります。

量子物理学学派は、ミクロの世界における確率的な出来事をさらに説明するために、この確率的な性質を反映する「波動関数」の概念を提唱しました。つまり、ミクロの世界における物理的状態は、観測される前は常に異なる状態の重ね合わせにあり、観測されると特定の状態に変化するのです。

ここでの「重ね合わせ」もミクロの世界特有の現象です。たとえば、ミクロの世界における単一の放射性粒子の崩壊は確率的な出来事です。したがって、一定期間内に、単一の放射性粒子が崩壊する確率と、変化しない確率が一定あります。すると、放射性イオンは「崩壊する/崩壊しない」という重ね合わせの状態になります。

古典物理学派の見解によれば、完全な物理理論は厳密な現実性と局所性に従うべきである。量子物理学派はまた、このいわゆる現実性と局所性は、マクロの世界の動作を支配する法則についての私たちの理解に過ぎず、ミクロの世界には当てはまらないと反論した。したがって、微視的世界の問題を理解し、対処するには、量子力学における「量子もつれ」の概念を使用する必要があります。

量子もつれ

（写真提供：VEERギャラリー）

古典物理学派と量子物理学派の間のミクロ世界に関する論争は、単純な物理学の領域を超え、2つの認知世界の哲学的思考を反映していると言える。アインシュタインは量子力学の提唱者の一人でもありましたが、量子力学の完全性には常に疑問を抱いており、量子力学の抜け穴を見つけるために、より深い思考実験（対応する実験を行わずに論理的推論のみを使用する）を提案し続けました。

まさにこのため、量子力学の研究はかつてない発展を遂げ、人々が世界をどのように理解するかについてより深く考えるようになりました。さらに、実験物理学者は、正確な実験結果によって量子力学の正しさを何度も検証してきました。

物理学に関する学術的見解をめぐるこの究極の対決では、どちらの学派も屈しませんでした。それでは次にそれを見てみましょう。

「シュレーディンガーの猫」：私は量子重ね合わせを主張する

古典物理学派の見解は、数多くの物理学者によって支持されてきましたが、そのうちの一人が有名なシュレーディンガーです。

シュレーディンガーは、古典物理学を支持するために、量子物理学の確率論的見解を反駁する興味深い思考実験、「シュレーディンガーの猫」思考実験を考案しました。

「シュレーディンガーの猫」の思考実験

（写真提供：VEERギャラリー）

簡単に言えば、シュレーディンガーは猫が完全に密閉された箱に入れられており、その内部の状態は外界からは検出できないと仮定しました。箱の中には、確率的に崩壊する放射性物質と、放射性崩壊を検知する毒ガス放出装置も入っています。

放射性物質が一定期間内に崩壊しない場合は、毒ガス放出装置は作動せず、猫は生き残ります。しかし、放射性物質が崩壊すると、装置は崩壊イベントを検知し、毒ガス放出のスイッチが作動し、かわいそうな猫は死んでしまいます。

つまり、箱を開ける前は、放射性物質が崩壊するかどうかによって猫の生死が決まるのです。しかし、奇妙なことが起こりました!量子力学の見解によれば、ミクロの世界では、放射性物質が崩壊するかどうかは、それ自体が確率的な出来事であり、正確に予測することはできません。したがって、猫が観察される前には明確な状態にあったことはなく、生存/死亡の確率的重ね合わせ状態にあったとしか言えないことに驚くかもしれません。

シュレーディンガーは、量子物理学派が信じていたミクロの世界における「確率」をマクロの世界まで拡大し、人々の生活における常識を破って量子論の不合理さを反映させようとした。

私たちが住んでいるマクロの世界では、シュレーディンガーの仮説は当然正しく、この確率的な出来事は単純に不合理です。アインシュタインでさえ、「私が見ていないからといって、夜空の月が消えるなんて信じられません」と嘆いたほどです。

ボーアの反論: 古典時代の考えを捨てて量子時代を受け入れよ

シュレーディンガーの思考実験は非常に完璧に思えますが、量子物理学学派はシュレーディンガーの思考実験を認めていません。ボーアは、古典物理学学派はミクロ世界の確率的性質を真に理解していないが、それでも古典物理学理論の考え方を量子物理学理論の枠組みに適用していると信じていました。

ミクロな量子の世界とマクロな世界のつながり

（写真提供：VEERギャラリー）

まず、ミクロの世界における確率的特性はマクロの世界における具体的な事物に対応するものではなく、失敗の境界が存在するはずである。

言い換えれば、シュレーディンガーの思考実験における「放射性物質のランダムな崩壊」というミクロな出来事を、私たちが住むマクロな世界に無限に拡張することはできません。したがって、量子力学の確率的性質を使用して箱の中の猫を説明することはできず、生と死の重ね合わせ状態にある猫は存在しません。

第二に、シュレーディンガーの思考実験における「毒ガス放出装置」は、作動して猫を死なせる前に、放射性物質の崩壊を検知する必要がある。

しかし、この検出プロセスは、大量の放射性物質の崩壊の統計的なプロセスでなければなりません。言い換えれば、単一の崩壊プロセスによって放出される放射線の量は、検出器によって効果的に検出するには低すぎます。大量の放射性物質が崩壊した場合にのみ、検出器の最小閾値を超える可能性があります。

したがって、この多数の崩壊イベントのプロセスは、量子論によって説明される微視的イベントではなく、統計的な意味では依然として巨視的イベントです。

最後に、放射性物質が崩壊したかどうかを検出するために検出器が使用されますが、この現象自体が観察の一形態です。つまり、箱を開けて内部の状態を観察したわけではないが、崩壊が起こったかどうかは、実際にはガス装置が作動した瞬間に判明したのだ。

したがって、猫のその後の状態は単なる出来事の自然な継続であり、いわゆる生存/死亡の重ね合わせ状態は存在しません。

そのため、量子物理学派は「シュレーディンガーの猫」の抜け穴を鋭く発見し、量子力学における波動関数の概念を利用して自らの見解をさらに強化した。

結論

最初の量子対決では古典物理学派が優位に立つことはなく、量子論を反駁することを意図していた「シュレーディンガーの猫」の思考実験が、偶然にも「量子もつれ」*を推進する面白いネタになってしまった。

しかし、古典物理学では依然として、「物理学は現実的でなければならず、物理法則は厳密に因果関係があり客観的でなければならない」という見解を主張しています。

したがって、アインシュタインは敗北を受け入れるつもりがなかった。彼は古典学派の巨匠たちの中から適切なチームメイトを選び、ボーアが所属する量子学派に対して第2の量子ピーク対決を開始する準備をしていた。