このブログ記事では、量子力学の背景、コペンハーゲン解釈と多世界解釈の主なポイント、そしてこれら二つの解釈が「観測」をどのように捉えているかを検証し、最後に量子力学の目的について考察します。
物理学の歴史において、はるか昔、マックス・プランクは黒体放射実験に基づいた論文と実験結果を発表し、「すべてのエネルギーは離散的な値を持つ非常に小さなパケットから構成されている」と述べました。これは、当時、巨視的な世界のあらゆる現象はニュートン力学で説明できると信じていた物理学者たちの主流の考え方を根底から揺るがしました。この時点から、計測機器が進歩し、物理学者が微視的な世界を観察できるようになると、ニュートン力学の限界を明らかにする様々な実験結果が発表されました。既存の理論では説明できないこれらの結果は、すぐに新しい力学の枠組みの必要性の認識につながり、こうして「量子力学」が誕生しました。量子力学は、アインシュタインによる光電効果の説明やボーアによる水素原子スペクトルのモデルなど、既存の物理学では解決できなかった自然現象にうまく答えることで、すぐにその地位を確固たるものにしました。さらに、数え切れないほどの物理学者の努力や、ポール・ディラックやパスカル・ジョルダンが提唱した変換理論などの発展により、物理学は独立した研究分野として確立された。
しかし、これは単に量子力学の内容を記述するためのツールである数学的な「形式」が完成したことを意味するだけであり、物理的解釈の観点から確立されたことを意味するものではありません。数十年経った今でも、著名な物理学者の間では量子力学的現象の「解釈」をめぐる意見の対立が続いています。「コペンハーゲン解釈」（しばしば主流の解釈と呼ばれる）から、その限界に対応して出現した「多世界解釈」、そしてその他の様々な解釈に至るまで、これらの異なるアプローチは、単一の解釈では完全に説明できないギャップを埋めることで、互いに補完し合っています。過去にオーストリアで開催された量子力学の会議で、世界的に著名な物理学者33名を対象に、どの解釈を支持するかを尋ねるアンケート調査が行われました。その結果、コペンハーゲン解釈が42%、情報理論的解釈が24%、多世界解釈が18%でした。このアンケート調査で50%を超える解釈が一つもなかったことを考えると、どの解釈にも限界があることは明らかです。本稿では、量子力学分野の大部分を占め、「観測」という行為について相反する見解を持つ「コペンハーゲン解釈」と「多世界解釈」を簡単に紹介し、それぞれの限界について論じる。「情報理論的解釈」は、量子力学を他の2つの解釈とはやや異なる視点から捉えているため、本稿の議論からは除外する。
ボーアとハイゼンベルクが提唱したコペンハーゲン解釈の基本的な枠組みは次のとおりです。「観測者が測定装置を使用しない限り、原子内の電子は因果律に従って運動します。しかし、時空内の固定された位置と時間における電子を記述しようとすると、離散的な相互作用が介入し、因果律から逸脱するため、観測者は量子確率に頼るしかありません。」ニュートン力学では、巨視的な世界で観測される粒子は、運動するときに位置と運動量について特定の明確な値を持つとされています。これは、観測者、つまり人間が存在する巨視的な世界では、位置と運動量が固定されていることを意味します。しかし、微視的な世界では、運動している電子は、これらの物理量を単一の値として明確に決定できない状態にあります。むしろ、さまざまな異なる状態が同時に共存しています。例えば、電子が取り得る状態が1、2、3の3つあるとすると、電子は観測される前にはこれら3つの状態すべてに同時に存在します。数学的には、これは1、2、3に対応する波動関数の和として表すことができます。巨視的な世界の観測者が電子を観測すると、電子は多くの可能な状態のうちの1つの状態に縮小され、その状態に関連付けられた確率によって決定されます。言い換えれば、「観測」という行為が電子の状態を変化させるのです。例えば、電子が状態1にあると判断された瞬間、状態2と状態3に同時に存在する可能性は消滅します。これがコペンハーゲン解釈における「波動関数の収縮」と呼ばれるものです。したがって、「観測」という行為はコペンハーゲン解釈において非常に重要な意味を持ちます。
アインシュタインをはじめとする著名な物理学者たちは、様々な思考実験を証拠として挙げ、コペンハーゲン解釈を否定した。中でも最も有名なのが「シュレーディンガーの猫」である。密閉された箱の中には猫と、粒子の量子力学的に決定された状態に応じて毒を放出する装置が入っている。箱の中の猫が一定時間後に生きているか死んでいるか（それ自体が一つの状態である）は、蓋を開けて猫を観察する瞬間にのみ決定される。この思考実験は、ミクロの世界で大きな意味を持つ「観察」という行為をマクロの世界に適用すると、奇妙な結論に至ることを示している。その結果、量子力学における観察の意味について深い考察が促された。ここに「多世界解釈」の始まりがある。
プリンストン大学出身のエヴェレット3世は、コペンハーゲン解釈の主張に反論し、粒子の確率分布は観測によって消滅するのではなく、最初から複数の可能世界が存在していたと主張した。言い換えれば、粒子の位置は観測によって単一の値に決定されるのではなく、複数の並行世界が既に存在しており、我々はそのうちの1つを観測しているに過ぎない。我々が直接観測できない状態は、他の可能世界で展開している。例えば、観測によって状態2が得られたとしても、他の状態はその瞬間に消滅するのではなく、他の世界で展開しており、我々は単にそれらを観測できないだけなのだ。
しかし、多世界解釈には明らかに問題点がある。起こりうる事象が全ての可能な世界で発生するとすれば、それぞれの状態に関連付けられた確率には一体どのような意味があるのだろうか？エヴェレットは、各状態に重みを掛けることでこの問題を解決しようと試みた。しかし、ある世界が別の世界よりも重要であるとはどういうことなのかは、依然として議論の的となっている。
これら二つの解釈（それぞれに意義と限界がある）を考慮すると、私はコペンハーゲン解釈を支持する傾向がある。量子力学の起源に立ち返ると、それは究極的には微視的な世界の現象を説明するために生まれたことがわかる。言い換えれば、観察とそこから得られる事実を通して現象を解明するために創られたものであるため、観察者の観察行為は非常に重要な意味を持つ。粒子の実際の観察において、単一の粒子の状態を観察するためには、ある程度の影響を与えなければならない。物理学では、これは「摂動」と呼ばれる。つまり、粒子の状態を観察するには、粒子にわずかな変化を与え、その反応を観察する必要がある。粒子の変化の誘発と波動関数の崩壊との関連性は数学的にはやや曖昧ではあるが、どちらも元の状態を変化させるという点では一致している。これは、観察行為そのものが物理的に重要な意味を持つことを意味する。
量子力学は、古典的なニュートン力学の決定論的な考え方から脱却し、確率論的なアプローチを採用しました。目の前にあるリンゴの位置が、見るたびに確率が変化するという考えを、どれだけの人が容易に受け入れられるでしょうか。確かに、物体の確定した状態に慣れている人々が、ミクロの世界で起こる現象を理解するのを助けるという点では、コペンハーゲン解釈と多世界解釈の両方に、それぞれ独自の意義と限界があります。私は、科学現象と、それらを観察することによって得られた結果を利用して新しい技術を創造する方法を研究している工学部の学生です。量子力学の発展は、ミクロの世界の現象を解釈するためのツールを私たちに提供し、これは直接的に人々に役立つ技術につながっています。現代医学に大きく貢献したMRI（磁気共鳴画像）装置は、量子力学のNMR（核磁気共鳴）現象を応用して開発されました。この技術は、分子構造を決定する分光法だけでなく、石油探査にも用いられています。このことから、私が科学の目的と考える、現象をより適切に説明する解釈が、より大きな意義を持つようになるだろうと私は考えています。
