シュレディンガーの猫

量子力学の不思議さを説明するときに、必ずと言ってよいほど、よく使われるのが、
「シュレディンガーの猫」 という思考実験である。

だが、この思考実験を理解するのは、見かけよりもかなり難しい。

これを理解するためには、まず 「2重スリット実験」 についての知識が必須である。
(読んでない人は、まず、そっちから先に読んでほしい)

さて。 「2重スリット実験」の項目でも述べたように、
量子力学の標準的な解釈(コペンハーゲン解釈)とは、

「観測される前の、電子の位置は、ホントウに決まっていない。
 電子の位置は、観測されて初めて決定される。
 観測される前の、電子の位置は、
 ここにあるかも、あそこにあるかもという『可能性』として多重に存在している」

というものであった。

ここで、一番理解しておいて欲しい点は、
1個の粒子として観測される電子でも、観測される前では、
本当に、複数の場所に同時に存在しているということである。

たとえば、「場所A」 もしくは 「場所B」で観測されるかもしれない電子
があったとする。

もちろん、電子は、観測すると、
「場所A」か「場所B」のどちらかで観測されるわけだが、
コペンハーゲン解釈では、観測していないとき(みてないとき)は、
「場所Aにいるかもしれない電子」 と 「場所Bにいるかもしれない電子」が、
ホントウに同時に存在している、と考えている。



そんなバカなと言いたいかもしれない。
だが、よくよく考えてみると、理屈としては正しい。
だって、観測していないんだから、

観測していない物質が、「ここにあるかも、あそこにあるかも」という
「観測される可能性」として存在している

と考えても、あながち間違いだと否定はできない。

ただし、誤解して欲しくないのは、
量子力学は、けっして「比喩」や「言葉遊び」で、
「複数の可能性が、存在する」と言っているのではなく、
「それらの可能性が、ホントウに現実に存在している」
と言っていることに注意してほしい。

たとえば、2重スリット実験でいえば、観測される前の電子は、
「スリットAを通った可能性」と「スリットBを通った可能性」の複数の可能性が
同時に存在しており、それらが干渉しあうことで、干渉縞がおきると考えられる。
「干渉」を起こすのだから、この2つの可能性は、
本当に『実在している』と言う以外にない。
(だって、実在しなければ、干渉もしないでしょ)

で、こういった考えにもとづいて、現代科学では、
観測する前の電子は、下図のように、モヤモヤした状態で存在しており、
「位置Aにあるかもしれないし、位置Bにあるかもしれない、位置Cに……」
というふうに、
すべての可能性が重ね合わさって、同時に存在していると考えている。





このように、観測される前のモヤモヤ状態のことを「重ね合わせ状態」 と呼ぶ。
ようするに、観測する前の物質は、
「たくさんの可能性がゴチャゴチャに重なった状態」で存在しているということだ。
そして、観測すると、ゴチャゴチャの中から、ひとつの状態が選択されて、
それが観測される。
どの状態が観測されるかは、シュレディンガー方程式(波動関数)で、
確率的に予測することができる
っていうのが、量子力学のすべてである。

さてさて。
目に見えない小さな電子の話だから、

観測されていないときは、
「位置Aにあるかもしれない」「位置Bにあるかもしれない」という、
『複数の可能性の重ねあわせ』として、
複数の場所に同時に存在している

といわれても、
「へぇ〜、そーなんだー。ミクロの世界では、
 僕らの日常的な世界観は通用しないんだねぇー」
ぐらいにしか感じないかもしれない。

でもだ。
じゃあ、この「ミクロな電子の位置」が
「犬とか、猫とか、ぼくたちが実際に見たり、触れたりできるマクロなモノ」に
影響を及ぼすような実験装置を想定したらどうなるだろうか?

そういう疑問を持ったヒトがいる。

そのヒトの名はシュレディンガー。
量子力学の基本方程式であるシュレディンガー方程式(波動関数)を作ったヒトだ。

実は、シュレディンガーは量子力学の考え方が嫌いだった。
後年、こんなヘンテコな科学に関わってしまったことを後悔して、
物理学者をやめている。

そして、物理学の世界から去るときに、
彼は、量子力学をけなすため、ある思考実験を考えた。
それが かの有名なシュレディンガーの猫である。

●実験概要
それは、こんな思考実験だった。

まず、中身の見えない箱を用意する。
そして、以下の4つを入れて、フタを閉じる。
1)電子
2)電子と反応するセンサ
3)毒ガス
4)猫



ここで、箱に入っているセンサは、
「電子が位置Aにあると、毒ガスを噴き出す仕組み」
になっている。
毒ガスが噴き出せば、当然、箱の中の猫は死んでしまう。

逆に、電子が位置Aになく、「別の位置Bにある」ならば、センサは反応しないので、
毒ガスは噴き出さず、猫は生きていることになる。

さて。
人間がフタを開けるまでは、箱の中がみえないのだから、
猫が生きているのか死んでいるのか、知るすべはない。
そして、当たり前のことだが、人間が実際にフタを開けて中を見たとき、
猫は「生きている」か「死んでいる」かのどちらかである。

だが、ここで思い出して欲しい。 
ワレワレは、この箱の中の電子を観測していないのだ。
量子力学では、観測していない電子の位置は、本当に決まっておらず、
「ここにあるかも」という可能性として、
複数の場所に同時に存在していると述べている。

だが、その電子の位置によって、
猫の生死が決定されるのだ!

もし、量子力学が正しくて、電子が複数の位置に同時に存在しているというなら、
電子の位置によって決定される「猫の生死」だって、
「生きているかも、死んでいるかも」という可能性として、
同時に存在していなくてはならなくなる。

でも、それって何かおかしくないだろうか?
「生きている猫」「死んでいる猫」が同時に重なり合っている状態なんて、
日常的な世界観ではまったく考えられないだろう。

「ね?おかしいでしょ?おかしいよね?
 やっぱり、量子力学は間違っているんだよ!」

と主張するために、シュレディンガーはこの思考実験を考えたのである。
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