このブログ記事では、量子力学の様々な解釈の中でも、コペンハーゲン解釈と多世界解釈に焦点を当て、波動崩壊の意味を検証し、それぞれの解釈の特徴と限界について考察します。
19世紀後半から20世紀初頭にかけて、古典物理学だけでは説明できない現象が現れ始めた。 マクスウェルとアインシュタインは、光が波動性と粒子性の両方の性質を持っていることを発見した。 マックス・ボルンは、粒子もまた波動のような性質を持つと予測した。 ダビソン＝ゲルマーの二重スリット実験は、電子が波動的な振る舞いを持つことを実験的に実証したと言われている。 二重スリット実験を詳しく見てみると、次のことがわかる。電子を放出する装置、2つのスリットがある板、そしてスクリーンが順番に配置されている。 電子源から放出された電子は2つのスリットを通過してスクリーンに到達します。電子がスクリーンに到達する様子を観測すると、干渉縞が現れます。 スリットが1つしかない場合は、このような模様は現れない。 したがって、電子の位置は、両方のスリットを同時に通過する波として説明されなければならない。 これらの現象を説明するために量子力学が登場した。 量子力学では、確率波は自然界の基本的な構成要素として記述される。 確率波は物質の状態を記述するために用いられる。 物質の状態には、位置やスピンといった性質が含まれる。 確率波とは、ある値が単一の点に固定されているのではなく、各点において発生確率が変化することを示すものである。 量子力学は20世紀初頭に確立され、その時期以降に行われた数多くの実験結果がこの理論の妥当性を裏付けている。 この理論の中核をなすのは、シュレーディンガーの波動方程式である。 量子力学の基本方程式であるシュレーディンガーの波動方程式は、確率波が時間とともにどのように変化するかを記述する。 しかし、こうした確率の波が日常生活と具体的にどのように関係するのかは、依然として不明である。 日常生活において、私たちが観察する結果は複数の状態ではなく、単一の明確な状態である。これはどのように説明できるのだろうか？ 確率波とは何か、そしてそれを理解する方法はあるのか？ これらの疑問を解決するために、量子力学の様々な解釈が登場してきた。 過去に量子物理学の学会で行われた調査では、参加者に対し、それぞれの解釈に対する好みについて質問した。 コペンハーゲン解釈への支持は42％、量子情報論的視点への支持は24％、多世界解釈への支持は18％だった。 調査結果からもわかるように、コペンハーゲン解釈は物理学界において主流の解釈となっている。 コペンハーゲン解釈とは、量子力学の黎明期からボーアをはじめとする学者たちによって発展させられてきた解釈のことである。 ブライアン・グリーンは、コペンハーゲン解釈の核心となる原則を次のように説明した。「確率波を直接観測しようとすると、観測行為そのものが確率波を乱してしまう。」コペンハーゲン解釈によれば、観測の瞬間に確率波はその状態を維持できなくなり、一点に収束してしまうのである。 この一点への崩壊の結果が、私たちがよく知っている現実であると説明されている。 この現象は波の崩壊と呼ばれる。 量子情報論の観点から言えば、宇宙そのものが量子情報で構成されており、それが宇宙の本質を成していると言える。 それは、あらゆる事象は量子情報を用いた量子計算の結果であると主張する。 この観点からすると、宇宙全体が量子計算を実行する機械として捉えられることもある。 セス・ロイドはこの見解を説得力をもって主張する著書を執筆した。 その著書の中で、彼は情報の役割と、それが実際の物理法則とどのように関連しているかを説明した。 例えば、彼は量子計算が未知の情報を拡散させる傾向があることを説明し、エントロピーに関連する物理法則について詳しく解説した。 多世界解釈はヒュー・エヴェレットによって提唱された。 この解釈は、コペンハーゲン解釈の根幹をなす波動関数の崩壊を認めていない。 むしろ、宇宙は複数の世界に分岐し、あらゆる可能性が実現されるという考え方だ。 つまり、それぞれの世界において、観察者は私たちがよく知っている現実を認識するということだ。 コペンハーゲン解釈の中核をなすと考えられる波動関数の崩壊という概念は、私には説得力に欠ける。 ブライアン・グリーンが指摘したように、「観察」を構成するものを定義する境界線は不明確である。 その説明は概ね次のようなものだ。微小な物体同士が相互作用する際には波動関数の崩壊は起こらないが、観測者が測定を行う際には起こる。しかし、この説明は受け入れがたい。
物理法則は宇宙全体で普遍的かつ同一に適用されると考えるのは自然なことである。 観察者もまた宇宙の一部であるため、量子力学の法則は観察を含むすべての行動に等しく適用されるのは当然のことだと私は考える。 しかし、コペンハーゲン解釈では、波の崩壊は観察者の観察行為の結果として起こると説明されている。 数学的に言えば、波動崩壊は通常の量子力学的操作とは異なる操作である。 確率波動関数が変化する過程をここで詳細に説明することはできませんが、それは特定の特殊な性質を持つ可逆行列による乗算を含む演算として説明できます。 「可逆的」とは、結果とそれを引き起こした状態との間に一対一の対応関係があることを意味する。 しかし、波動関数の崩壊が起こると、この対応関係は崩れる。 システムは単一の状態に固定されてしまい、元の状態に戻すことが不可能になる。 観測の性質が決定的に重要な場合、例えばコペンハーゲン解釈においては、ハイゼンベルクカットの概念が導入されることがある。 この概念は、量子力学の法則はある一定の境界まで適用され、その境界を超えると波動関数が崩壊するというものである。 しかし、この境界は明確に定義されていない。 それは、電子や陽子といった物体レベルで設定することも、人間のような巨視的な物体レベルで設定することもできる。 これは不十分である。なぜなら、境界線を具体的にどこに引くべきかが明記されていないからだ。 この状況を説明する有名な例として、シュレーディンガーの猫の思考実験が挙げられる。 この思考実験では、原子よりも小さな粒子と猫が登場する。 その微粒子は一定の確率で崩壊する可能性があり、その過程は量子力学によって説明できる。 その隣には検出装置が設置されている。 そうした腐敗が検知された瞬間に、猫を殺すためのメカニズムが作動すると言われている。 これは、その時点で猫が生きているのか死んでいるのかという疑問を提起する。 コペンハーゲン解釈によれば、猫の状態（生きているか死んでいるか）は、観察された瞬間に決定される。 この説明は、巨視的な物体であっても波動崩壊を起こさないという前提に基づいている。 これは、たとえ大きな物体であっても、量子力学の枠組みの中で考察する必要があることを示唆している。 したがって、この状況をさらに極端な方向に推し進める思考実験も存在する。 この思考実験では、友人がシュレーディンガーの猫の思考実験を行い、猫の状態を観察したと仮定します。 このような場合、波動関数がどの境界で崩壊したとみなすべきかについて、明確な説明は得られない。 この境界に関して、観察者の知識の範囲が重要だと考える人もおり、これは確率と関連していると言われている。 しかしながら、コペンハーゲン解釈には、観察者が観察した結果を容易かつ明確に説明できるという利点がある。 実際、それは様々な実験結果を非常によく説明している。 実験結果を観察する時点、あるいは巨視的な物体と相互作用する時点で、波動崩壊を適用すれば十分である。 これは、観測装置の量子状態を考慮する必要がない、便利な解釈である。 波の崩壊という直感的には受け入れがたい結果にもかかわらず、この理論が大きな成功を収めた理由の一つは、実験結果をうまく説明できる能力にあると考えられる。 波動崩壊という説明があまりにも不自然であるからこそ、多世界解釈はコペンハーゲン解釈に代わる有効な選択肢となり得ると私は考えている。 多世界解釈は波動崩壊を認めない。 これは、シュレーディンガーの波動方程式のみに焦点を当てて導き出された解釈であると言われている。 観測行為を特別な法則に従うものとは考えていないため、その過程を波動方程式から見た波動状態の変化として解釈する。 言い換えれば、観測が行われる際に波動が崩壊するのではなく、観測者と対象物が量子力学的に絡み合った状態に入る、ということである。 この絡み合った状態を理解するために、波動崩壊を認めない多世界解釈の観点から例を見てみましょう。 電子のスピンは、上向き（↑）または下向き（↓）のいずれかである。 観測装置は、電子のスピンを測定する装置である。 観測装置の状態表示ウィンドウには、上（⟰）、下（⟱）、空白（）の3つの状態があると仮定します。 測定前の状況を見てみましょう。 電子のスピンと観測装置の状態表示窓は、互いに独立した確率波として記述することができる。 電子は上向き（↑）または下向き（↓）に固定されるのではなく、確率波によって表される。 実験では測定装置を空の状態（）に設定し、この状況を表す確率波動関数が存在する。 測定後の状況を見てみましょう。 この時点では、もはや独立した確率波動関数として記述することはできない。 全体的な状態は、電子と測定装置の両方を含む単一の確率波動関数によって記述される。
具体的には、電子のスピンが上向きで観測装置の状態ウィンドウが「上向き」（↑⟰）を示す場合と、電子のスピンが下向きで観測装置の状態ウィンドウが「下向き」（↓⟱）を示す場合の2つの状況のみを記述する単一の確率波動関数によって表されます。 複数の状態がもはや独立していないこの現象は、「量子もつれ」と呼ばれます。多世界解釈は、これをさらに一歩進めたものです。 上記の例を見ると、考えられる状況は 2 つあります (↑⟰、↓⟱)。 多世界解釈では、世界はこれら二つの状態に分かれていると考える。 つまり、ある世界では↑⟰の状況が発生し、別の世界では↓⟱の状況が発生する。 シュレーディンガー方程式を詳しく調べてみると、このように解釈することに大きな数学的な問題はないと言われている。 観測結果に基づいて可能な状態を分離し、それぞれの結果を別々の世界として解釈するならば、それはまさに多世界解釈である。 したがって、観測とみなせるあらゆる出来事は、世界が分裂する出来事として捉えられる。 したがって、量子力学的に可能なあらゆる可能性は、それぞれの世界において実現される。 多世界解釈の中で私が最も魅力的だと感じる点は、観察という行為を特別なものとみなさないところだ。 観測者自身も量子力学の法則に従う世界の一部とみなされるため、私はこの解釈の方がより普遍的に適用できるものだと考えています。 しかし、多世界解釈は多くの批判に直面している。 世界が複数の世界に分裂するとはどういうことなのか、説得力のある説明は存在しない。 さらに、複数の世界が存在するという主張自体が奇妙である。 もし世界が無限に創造され続けるのだとしたら、私たちがどうやってこれほど多くの世界を把握できるのかを説明する術はない。 さらに、異なる世界が完全に分離していて互いに影響を与え合わないのであれば、観察者の視点からすれば、他の世界の存在は全く無意味であると主張することもできるだろう。 その観点からすると、解釈そのものが無意味になる。 さらに、多世界解釈には、まだ解決すべき課題が数多く残っている。 まず、実際の観察者がどのような世界を認識するのかを適切に説明することが、取り組むべき課題の一つである。 日常生活で観察される現象を説明するためには、全体という視点からではなく、観察者の視点から現象を記述する方法も必要である。 これは、私たちが確率の波そのものを直接観察するのではなく、その結果のみを観察するからである。 コペンハーゲン解釈はこの点を明確に説明している。 コペンハーゲン解釈によれば、私たちが観察する世界は波動関数の崩壊によって実現され、その結果は現実と一致する。 さらに、多世界解釈はコペンハーゲン解釈を説明できるはずである。 多世界解釈が正しいとすれば、これまでのすべての実験結果がコペンハーゲン解釈の予測と一致してきたことを、多世界解釈自身の視点から説明できるはずである。 さらに、どのような状況下で両者の解釈に相違が生じる可能性があるのかを明らかにする必要がある。 したがって、コペンハーゲン解釈との関連性を確立することもまた、大きな課題である。 私はコペンハーゲン解釈における波の崩壊という概念を支持しません。なぜなら、それが具体的にいつ適用されるべきかが不明確であり、また、測定を独立したプロセスとして分離する慣行は、普遍性の観点から問題があると考えるからです。 むしろ、宇宙全体は量子力学における確率的な波として記述でき、観測者もまたその一部であるという視点を維持すべきだと私は考える。 したがって、多世界解釈やそれに類する理論は代替案として有効であると私は考えます。 しかし、前述したように、これらの解釈にもいくつかの問題点が残っている。 物理学者を対象とした調査結果が示すように、量子力学の解釈に関して決定的な結論はまだ得られていない。 既存の解釈の中には、実験によって反証された歴史を持つものもある。 しかし、コペンハーゲン解釈や多世界解釈については、そのような実験はまだ行われていない。 これらの解釈の違いを実際に実証できるような実験計画が、いつか開発される可能性はある。 あるいは、最終的にはこれらの解釈はすべて等しく妥当であると結論づけるかもしれない。 したがって、物理法則に対する理解が深まるにつれて、量子力学を解釈するための新たな道が開かれると私は信じています。 その過程が展開していく様子を見るのは、非常に興味深いだろう。
