シュレーディンガーの猫

シールドされた箱に猫を閉じ込めます。この箱の中には次のような仕掛けがしてあります。ごく少量(一時間に原子一個が崩壊するかしないかくらい)の放射性元素の入ったガイガー計数管があり、そのガイガー計数管が放射線を検出するとリレーが働き、そのリレーを通してハンマーがフラスコを割ります。フラスコには青酸カリが入っており、洩れると猫を死に至らしめます。もし、放射性元素が崩壊しなければフラスコはそのままで、猫も生きたままです。

量子力学によれば、放射性元素の状態は、観測されるまでは崩壊する前の状態と崩壊した後の状態との重ね合わせになっています。したがって、この系全体(放射性元素、ガイガー計数管、リレー、ハンマー、青酸カリ、猫、空気その他もろもろを含めた系)に量子力学を適用すれば(すなわち、その系全体をハミルトニアンで記述し、シュレーディンガー方程式を解けば)、放射性元素の各状態に対応して、生きたままの猫から死んでしまった猫までのさまざまな猫の状態の重ね合わせ状態があらわれます。ところが、このような状態を見た人はいませんから、観測者がこの箱を覗いた瞬間ある特定の一つの状態に変化した(波束の収縮が起こった)ということになります。

しかし、そんなことが本当に有り得るでしょうか?観測者が箱を覗く前は本当に猫は重ね合わせ状態(純粋状態)のままだったのでしょうか?猫の代わりに我々人間がその箱に入ったらどんなことを経験するでしょうか?生きた状態と死んだ状態の重ね合わせ状態というのはだれも経験したことがありません。しかし、量子力学によれば、もう一人の観測者が箱を覗くまでは我々の状態は確定しておらず、その観測者が箱を覗いた瞬間に、いずれか一つの状態に確定することになります。

これは、「シュレーディンガーの猫」(1935年、シュレーディンガー)のパラドックスとして昔から知られている有名な問題ですが、今日でも物理学者の間でときどき議論されます。


パリティ4月号(1997年)の記事に「シュレーディンガーの猫は実在するか?」という題の解説記事があり、そこでこの著者(並木美喜雄)等の論文の紹介(宣伝?)がありましたが、この著者は学部学生にでもわかるような致命的な勘違いをしており、今日この論文を支持している物理学者はほとんどいません。(私はこの論文の著者以外に支持している物理学者を知りませんが、論文になったのだからこの著者以外にも、少なくともレフェリーになった人は支持していたのでしょう。そのレフェリー(恐らく日本人)がどんな物理学者だったのかは知りませんが...)

量子力学によれば、測定器を含めた系全体の状態の時間発展はユニタリー変換で記述され、純粋状態から混合状態へ移ることはありません。ところが、著者等の計算によると純粋状態だったはずの密度行列がいつの間にか混合状態を示す密度行列になっています。これは、密度行列の段階で(勝手に導入されたあるパラメータについて)平均操作を行うというトリック(量子力学に反する計算)によるもので、要するに間違いです。この平均操作は人為的な行為であって、系のダイナミックスを記述しているわけではありません。現れて欲しくない干渉項を勝手に手で消したというだけのことです。

観測過程を物理的な過程と考えるならば、測定装置も含めたマクロな系もシュレーディンガー方程式に従っているはずです。シュレーディンガーの猫は結局どうなったのでしょうか?

同解説記事で著者は、多世界解釈については信じる信じないの問題であるとしています。また、別の解説本「量子力学入門」(岩波新書)で、この著者は、多世界解釈では世界が非物理的な過程として分裂すると勝手に解釈し、批判しています。これはトンデモない勘違いです。多世界解釈における世界というのは特定の観測者を通してみた世界のことであって、空想科学小説に出てくるような平行宇宙が存在しているわけでありません。多世界解釈によると、系全体の状態の時間発展はシュレーディンガー方程式に従い、いわゆる波束の収縮は起こりません。にもかかわらず、特定の観測者を通してみると対象物の状態が特定の状態へ収縮したように映り、矛盾の生じないことを示すことができます。シュレーディンガーの猫のパラドックスは(多世界解釈においては)このようにして解決されるのですが、この著者は全く理解出来ていないようです。恐らく、この著者等の間違った論文が正しい理解を妨げているのでしょう。

この様に、妙な先入観をもっている人には多世界解釈はなかなか理解してもらえないようです。この著者が多世界解釈を正しく理解することはもうないでしょう。

最後に、最近ホットな話題になっているメゾスコピックな量子現象について、観測問題における重要な課題であるとし、著者等の理論がこれを先取りした新しい観測理論であったとしていますが、そのように評価している論文は見たことがありません。メゾスコピックな量子現象は、従来の量子力学の枠組ですべて説明できますし、実際、実験結果の解析などは従来の量子力学に基づいて議論されています。メゾスコピックな量子現象を実現することが如何に難しいかということも、従来の量子力学をメゾスコピックな系に素直に適用すれば自然にでてきます。新しい観測理論なるものは必要ありません。

メゾスコピックな量子現象を実験的に実現することは、量子コンピュータを実現する上でも重要な課題になっており、今後の発展が楽しみです。実験家には是非頑張って欲しいと思います。

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© 1996-2017 Toshifumi Sakaguchi