シュレーディンガーの猫

シュレーディンガーの猫

zu01物理学者のエルヴィン・シュレーディンガーが1935年に発表した『シュレーディンガーの猫(シュレーディンガーのねこ、英: Schrödinger’s cat)』または『シュレディンガーの猫』とは量子力学の問題点を突く思考実験であり、量子力学に対する欠陥を指摘したものである。

どのようなものかと説明をすると

まず、蓋付きの箱を用意し、この中に猫を一匹入れると同時に、一定量の放射性物質のラジウムと、ガイガーカウンターを1台、青酸ガスの発生装置を1台入れて密封状態にする。

これがもし、箱の中にあるラジウムがアルファ粒子を出し、これをガイガーカウンターが感知して、その先についた青酸ガスの発生装置が作動したとすると、青酸ガスを吸った猫は死んでしまうはずである。しかし、ラジウムからアルファ粒子が出なければ、青酸ガスの発生装置は作動せず、猫は生き残る。1時間程経過した後、箱をあけたときに猫は生きているか死んでいるか。といった思考実験の話である。

猫の生死はアルファ粒子が出たかどうかのみにより決定すると仮定する。そして、アルファ粒子は原子核のアルファ崩壊にともなって放出される。このとき、例えば箱に入れたラジウムが1時間以内にアルファ崩壊してアルファ粒子が放出される確率は50%だとする。この箱の蓋を閉めてから1時間後に蓋を開けて観測したとき、猫が生きている確率は50%、死んでいる確率も50%である。したがって、この猫は、生きている状態と死んでいる状態が1:1で重なりあっていると解釈しなければならない。

猫が生きている状態と死んでいる状態という2つの状態を認識することはできるが、このような重なりあった状態を認識することはない。
※いわゆるどちらか一方の状態を認識はできるが、どちらか一方は同時に認識することは出来ない。

この結果が科学的に大きな問題となるのは、実際に確証がとれる実験を行っても、観測して得られた実験結果は既に出た結果であり、本当に知りたいことである重なりあった結果ではないがために、実験結果そのものには意味を持たなくなり、検証できないということである。

この思考実験は、ノイマン-ウィグナー理論に対する反理論として、シュレーディンガーによって提案された。
まずは量子力学の確率解釈を妥当な方法で巨視的な実験系にすることができることを示し、そこから得られる結果(結論)の欠陥を指摘したのである。シュレーディンガーは、これをパラドックスと呼んだ。

今では「シュレーディンガーの猫」のような巨視的に量子力学の効果が現れる実験系が知られ、「シュレーディンガーの猫」は量子力学が引き起こす(奇妙な・異常な)現象を説明する際の例に用いられている。

重なり合った解釈と確立解釈

「重なりあった状態」「確率解釈」

量子力学において粒子は、様々な状態が「重なりあった状態」で存在している。この「重なりあった状態」は、観測機器によって粒子を観測することで、いずれかの状態に収束する。

例えば、原子のスピンは、上向きの状態と下向きの状態が重なりあった状態で存在しているが、観測機器によって粒子を観測すると、スピンは上向きか下向きのいずれかの状態に収束する

アルファ粒子は、原子核のアルファ崩壊にともなって放出され、ラジウムに起こるアルファ崩壊は、量子力学によって確率解釈されなければならない。原子核は、陽子と中性子によって構成されているため正電荷をもった陽子同士は斥力によって反発するはずなのに、正電荷をもった陽子と電荷のない中性子が原子核スケールの範囲にとどまっていられるのは、核力によって引き合っているためである。原子量の小さい鉄などの原子核は、核力が支配的であるために安定しているが、原子量の大きなラジウムのような原子は、原子核のサイズが大きくなることによって核力よりも静電気力の効果が現れる。

量子力学では原子核スケールの範囲にある陽子や中性子の位置に不確定性原理が現れ、それらの位置は確率でのみ決定することになる。そのため陽子や中性子は原子核の中で一定位置にあるとは考えない。しかし、陽子や中性子の位置関係によっては陽子間の斥力が核力を上回ってしまい原子核が崩壊する。このように量子力学的な揺らぎによって引き起こされる現象がアルファ崩壊であり、ラジウムのような放射性核種の原子核崩壊は量子力学的に確率解釈すべき現象である。

この実験において、ある時間内にラジウムがアルファ粒子を出すかどうかは基礎方程式(シュレーディンガー方程式の解)によって確率のみが計算でき、量子力学における確率解釈によれば、現象を観測するまでは原子核がひとつ以上崩壊した状態と原子核が全く崩壊していない状態の重ね合わせ状態で存在するのである。

「シュレーディンガーの猫」は粒子のようなミクロ系の重ね合わせが、猫のようなマクロ系の重ね合わせを導く可能性を指摘したのである。

ウィグナーの友人のパラドックス

しかしマクロスコピックな観測がいつもはっきりした値であるという原理は、経験的に得られた仮定でしかない。つまり、実用的な問題は無いにしてもシュレーディンガーが示した量子力学の不完全性が克服されたわけではないことになる。これはEPRパラドックスなどと併せて観測問題と呼ばれる。この観測問題は物質の認識や実在性と関わり科学・哲学の分野において未だ議論の続いている問題として残っている。

また、シュレーディンガーの猫以外にも、ウィグナーの友人のパラドックスがある。これは、ガスの発生装置をランプに、猫をウィグナーの友人に置き換えたものである。この場合、箱の外の観測者が箱の中の友人に観測結果を尋ねることが観測であるのか、それとも箱の中の友人がすでに観測を終えているのかという問題が生じるのである。

エヴェレット解釈(多世界解釈)

多世界解釈

エヴェレット解釈(多世界解釈)とは

観測者を特別視せず、観測者も記述の中に含めようという考え方から生まれた解釈である。
エヴェレット解釈では、箱の中に存在する猫の重なり合った状態は、観測を行う前も後も変わらない。観測によって、生きている猫を観測した観測者と死んでいる猫を観測した観測者の重なり合った状態に分岐する。分岐した後には生きている猫を観測した観測者または死んでいる猫を観測した観測者の一方しか残らないため、矛盾は存在しない、という考え方である。

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