波動関数の収縮

量子力学の通俗本を読むと、必ずと言っていいほど、
「波動関数の収縮」という言葉が出てくる。

今回は、この「波動関数の収縮」について、説明してみようと思う。

まず。
2重スリット実験をおさらいすると、その結論(コペンハーゲン解釈)は、

「観測していないモノについては、
 ここにあるかも、あそこにあるかも、
 という可能性としてしか論じることができない。
 そして、その言葉どおり、観測していないモノは、
 『ここにあるかもという可能性』という形で存在している」

というものであった。

もっと端的にいえば、

「観測される前の、電子や原子の位置は、確率的に存在している」

ということである。

さて。
この確率、―つまり、モノが「ここで見つかるかもしれないよ」という確率―
の形は、波の形になっている、ということが実験的に確認されている。
(なぜ、そうなるかは、誰もわかっていない。
 とにかく、実験すると、いつもそういう形になることが確認できるだけだ。)

この波の形は、「波動関数」という数式で記述することができる。
波動関数というのは、「波の形」を表現するための方程式だから、
波であれば何でも、この方程式で表すことできる。

で、この波動関数が、時間とともに、どう変化していくのかを
数式で記述したものが、シュレディンガー方程式だと思って欲しい。

さてさて。
たとえば、ある時刻において、観測されるの前の「電子の位置」は、
下図のような「波動関数」で表現することができたとする。



図からわかるとおり、波が高いところほど、電子が観測される確率が高いわけだ。

では観測されたら、この「波動関数」はどうなるか?

今、電子が、たまたま位置Aで観測されたとする。
この観測されたときの状態を、波動関数を当てはめて、無理やり表現してみよう!
位置Aに電子があることはもう確定しているのだから、
当然、波動関数の形は、図のようになる。




つまるところ、観測によって、電子の位置の波動関数はこのように変わる。




これを、「観測によって、波動関数が収縮した」と表現する。

観測される前までは、
「ここらへんにあるかも」って感じで、広がりを持っていた波動関数が、
観測された瞬間に、
「ここにある!」って感じで、一点に集中している波動関数に変わったのだから、
「観測によって、波動関数が収縮した」というのは、まさにそのままの表現だろう。

さて、こうなると、当然、こんな疑問がでてくる。
「ふ〜ん、そうなるのは、わかったけど。
 でもさ〜、観測すると、なぜ、波動関数が収縮しちゃうの?」

これについて、量子力学の創始者ボーアは、
「観測するとなぜ波動関数が収縮しちゃうのか」
はっきりさせようとはしなかった。

「え?え?なんで? ちゃんと、説明してよ。
 なんでそんな、いいかげんなままなの!」
と言いたいかもしれない。

もちろん、多くの人が、
「波動関数の収縮」のメカニズムについて、「なぜ、そんなことが起きるのか?」
を説明できない量子力学を「不完全な理論だ」と、批判した。

実際、多くの科学者が、量子力学の方程式をがんばってイジクリまわしたが、
波動関数を収縮した形にすることはできなかった。
結局、「なぜ、観測すると、波動関数がこんな形になっちゃうのか」について、
量子力学の方程式では、まったく説明できないのである。

だからよく、量子力学の通俗本では、
この「波動関数の収縮」が、「未だ解明されていない謎」として紹介されていたりする。

ではでは、現代の科学者を捕まえて、
この「波動関数の収縮」について問い詰めたら、どう答えるだろうか?
おそらく、一般人が納得するような答えは返してはくれないだろう。
というのは、現代の科学者にとって、「波動関数の収縮」とは、
そもそも問題ですらないからだ。

科学において、
観測とは、「ナニカから、位置や質量などの物理量(数値)を取り出す操作」である。
そして、観測したときに、「どんな物理量(数値)が取り出せるか」
を予測することが、科学(量子力学)の仕事なのである。
だから、ぶっちゃけ話、「観測した後なんか、どーでもいいのだ」

つまり、
「観測が終わったモノに、量子力学(波動関数)を当てはめることが、
 そもそもナンセンス」
なのである。

そもそも、波動関数やシュレディンガー方程式は、
「モノがどこで観測されるかを予測するための道具」
「人間が作り出した便利な数式」である。
これらの道具は、観測結果と一致するように、
ツジツマを合せて作られただけのものであり、
観測されてしまえば、もう関係ないのだ。

使い終わった道具は、捨て去るのみ。

だから、
「観測されると波動関数が収縮する、ことについて、
 量子力学は何も説明できていない!」
と大騒ぎしても、当の科学側は、

「え?観測されたんでしょ?じゃあ、もういいじゃん?
 波動関数なんか収縮しないよ。だって、もう使わないもん。
 とにかく、波動関数という道具を使えば、
 モノがどこで観測されるのか、その確率を計算でき、実験結果とピタリとあっている。
 それ以上でも、それ以下でもないけど、ナニカ問題でも?」

という感じなのだ。

「観測されると、波動関数が収縮する、それは一体なぜか?」

科学をやっている人にとっては、この問いかけそのものが、ナンセンスだったりする。

(補足)
しかし、一方で、それを「問題」だと捉えて、一生懸命、考えている科学者もたくさんいる。
別の「答え」が見つかるかもしれないのだから、それもまた必要なことであろう。
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