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「シュレーディンガーの猫」：量子力学の思考実験と生死の同時存在について

量子力学における「シュレーディンガーの猫」とは、オーストリアの物理学者エルヴィン・シュレーディンガーが1935年に提案した、量子力学の概念を説明するための思考実験です。

この実験では、猫が箱の中に閉じ込められ、その生死が確率的に決まる装置が設置されています。シュレーディンガーは、この実験を通じて、量子力学の世界では物体が複数の状態に同時に存在する「重ね合わせの状態」という現象が起こることを示しました。

実験の内容

シュレーディンガーの猫の実験の内容は以下の通りです。

中の見えない密閉できる箱と、放射性物質のラジウム、それに放射線の検出器とリレー装置、ハンマー、青酸を用意します。
もし、検出器がラジウムから出る放射線を検知したらリレーに電流が流れ、ハンマーが青酸ガスの入ったびんをたたき割るようにします。
ラジウムの量をうまく調節することによって、検出器を作動させる確率を半々にすることができます。
この、「検出器がラジウムを検知する」という確率を50%として、この状態でこの箱の中に猫を入れて密封します。

これが、シュレーディンガーの猫と呼ばれる実験の手順です。

実験の意味

さて、それでは実験の結果はどうなるでしょうか？普通に考えれば、箱の中に入った猫は

検出器がラジウムを検知し、青酸ガス入りの瓶が破られて猫は死ぬ
ラジウムは検知されず、猫は生きている

というどちらかの状態であるはずです。そして、

古典論 (古典力学、もしくはニュートン力学)においては、この状態はどちらかに決まるはず

です。しかし、量子力学では、この2つは

観測するまでわからない

という見方をします。つまり、「生きた猫と死んだ猫」という状態が重なり合っているとしているのです。

「いや、そうじゃない。箱を開ける前にどちらかの状態に決まっているはずだ！」と思うかもしれません。しかし、重なり合いを仮定しても、理論的には全くおかしくなく、むしろいろいろな現象を説明するのに都合が良いのです。

現代のシュレーディンガーの猫の思考実験において、最も論理的とされる答えは、以下の通りです。

私たちが、「猫が生きている状態と死んでいる状態」というものの重ね合わせを考えるとして、このような考えをすることが正しいか間違っているかを確かめる手段を何一つ持っていないし、それにそのような考え方をしたところで何の矛盾も起こらない。

シュレーディンガーの猫の歴史的背景

シュレーディンガーの猫は、量子力学の概念を説明するための思考実験ですが、その理論は観測や実験によって裏付けられていますか？実は、シュレーディンガーの猫は、量子力学の解釈を巡る問題を提起するために生まれたパラドックスです。以下に、シュレーディンガーの猫の歴史的背景を挙げます。

1900年：ドイツの物理学者マックス・プランクが、黒体放射の法則を導くために、エネルギーが離散的な単位（量子）でしか取り替えられないという仮説を提唱しました。これが量子力学の始まりです。
1905年：ドイツの物理学者アルベルト・アインシュタインが、光電効果を説明するために、光が粒子のように振る舞うという仮説を提唱しました。これが光量子仮説です。
1913年：デンマークの物理学者ニールス・ボーアが、水素原子のスペクトルを説明するために、電子が特定の軌道にしか存在できないという仮説を提唱しました。これがボーアの原子模型です。
1924年：フランスの物理学者ルイ・ド・ブロイが、電子が波のように振る舞うという仮説を提唱しました。これが物質波仮説です。
1925年：ドイツの物理学者ヴェルナー・ハイゼンベルクが、電子の位置と運動量の同時測定には限界があるという不確定性原理を提唱しました。これが量子力学の基本原理の一つです。
1926年：オーストリアの物理学者エルヴィン・シュレーディンガーが、物質波の振る舞いを記述するために、シュレーディンガー方程式を導きました。これが量子力学の基本方程式の一つです。

1927年：ドイツの物理学者マックス・ボルンが、シュレーディンガー方程式の解が物体の存在確率を表すという確率解釈を提唱しました。これは、量子力学のもう一つの基本原理です。
1927年：ハイゼンベルク、ボルン、ヨルダンらが、量子力学を行列の言葉で記述する行列力学を発展させました。これは、シュレーディンガー力学と等価な理論です。
1927年：ベルギーの物理学者アルベール・アインシュタイン、ボルン、ボーアらが、第5回ゾルヴェー会議で量子力学の解釈について討論しました。この討論は、量子力学の哲学的な問題を浮き彫りにしました。
1930年：イギリスの物理学者ポール・ディラックが、電子の量子力学と相対性理論を統合するディラック方程式を導きました。この方程式は、反物質の存在を予言しました。
1932年：アメリカの物理学者カール・アンダーソンが、実験で反電子を発見しました。これは、反物質の最初の観測例です。
1935年：アインシュタイン、ボドルスキー、ローゼンが、量子力学における因果律の破れや局所性の欠如を指摘するEPRパラドックスを提唱しました。これは、量子力学の完全性に疑問を投げかけました。
1935年：シュレーディンガーが、EPRパラドックスを具体化するために、シュレーディンガーの猫という思考実験を提案しました。これは、量子力学の奇妙さを示すパラドックスです。

シュレーディンガーの猫の物理学への影響

シュレーディンガーの猫は、量子力学の概念を説明するための思考実験ですが、その理論は観測や実験によって裏付けられていますか？実は、シュレーディンガーの猫は、量子力学の解釈や応用に多大な影響を与えた理論です。以下に、シュレーディンガーの猫の物理学への影響を挙げます。

量子力学の解釈：シュレーディンガーの猫は、量子力学の解釈に関する様々な議論を引き起こしました。例えば、コペンハーゲン解釈は、観測によって重ね合わせの状態が崩壊するという考え方を採用しました。

一方、多世界解釈は、重ね合わせの状態が崩壊しないで、それぞれの可能性が別の世界に分岐するという考え方を採用しました。

また、隠れた変数理論は、重ね合わせの状態は観測できない変数によって決まるという考え方を採用しました。これらの解釈は、量子力学の本質や意味について、異なる見方を提供しました。
量子情報科学：シュレーディンガーの猫は、量子力学の応用として、量子情報科学の発展に貢献しました。量子情報科学とは、量子力学の原理を利用して、情報の符号化や伝送、処理、計測などを行う科学です。

例えば、量子暗号は、重ね合わせの状態を利用して、情報の安全性を高める技術です。また、量子コンピュータは、重ね合わせの状態を利用して、情報の並列処理を行う装置です。これらの技術は、シュレーディンガーの猫の考え方を応用したものです。
量子実験：シュレーディンガーの猫は、量子力学の実験にも影響を与えました。シュレーディンガーの猫は、当初は思考実験であり、実際に行うことは不可能と考えられていました。しかし、近年の技術の進歩により、シュレーディンガーの猫に相当する実験が可能になりました。

例えば、原子や分子、光子などの微小な物体を重ね合わせの状態にすることや、重ね合わせの状態を観測することや、重ね合わせの状態を操作することなどが実現されました。これらの実験は、量子力学の原理や現象を検証することに役立ちました。