「シュレーディンガーの猫」

前回に引き続き、「あぁ聞いたことあるかな・・」シリーズです。
　
皆さんは「シュレーディンガーの猫」という言葉を聞いたことがありますか？
　
多分、聞いたことがある方が多いと思います。
最先端物理学の量子力学を象徴する有名な思考実験であるとともに、
お話としては世界の深遠を覗き込むようなとてもワクワクする内容であり、
何よりも言葉としての語感や響きがカッコイイのです。
　
「声に出して読みたい物理学用語」の五本の指に入るのではないでしょうか。
　
そして、その内容も本当にワクワクドキドキ。
ホテルのバーのラウンジで女性を相手に
「シュレーディンガーの猫って知ってるかい？」なんて小粋に話を始めたら、
相手は話に釘付け。
おそらく、「○○さんってすご〜い！」ってことになる確率が
50％くらいは、あるのではないでしょうか。
　
さて、この「シュレーディンガーの猫」。
まずは、例によってウィキペディアのリンクを置いておきます。
　
興味のある方は是非ウィキペディアも読んで欲しいと思いますが、
このブログではワクワクする世界の深遠のエッセンスの部分を説明したいと思います。
　
「シュレーディンガーの猫」とは、
物理学者のエルヴィン・シュレーディンガーが提唱した思考実験です。
一体、どのような実験なのか？
　
これを説明する前に、量子力学のエッセンスを順を追って説明する必要があります。
まず、マクロとミクロという言葉をご存知でしょうか？
マクロとは私たちの肉眼でも見えるレベルや宇宙レベルの大きな世界。
ミクロとは原子や電子レベルやもっと小さなクォークレベルの超微小な世界のことです。
私たちは、マクロの世界の物理現象はほぼ理解していると言っていいのですが、
実はミクロの世界の物理現象はまだ理解できていない状況です。
例えば、ビリヤードの玉をある速度と角度で打つと、何秒後にはここにあるという予測は、
ニュートン力学で計算が可能です。
つまり、ビリヤードの玉の未来を予測する計算方法を我々人類は既に持っているのです。
　
しかし、原子の周りをぐるぐる回っている目に見えない微小な電子が、
何秒後にどこにあるのかということは予測できません。
ここにある確立は○％、ここにある確率は○％というように、
ミクロの世界の物質の振る舞いは、ビリヤードの玉のようにかっちり計算なんかできず、
確率でしか予測できないのです。
まあ、予測できないだけなら、
人類はまだその予測式を見つけられていない、という話で片付きますが、
どうやら、そんな話でもないのです。
　
いいですか？
よく耳の穴をかっぽじって聞いてくださいよ。
　
電子は、人が観測するまでは、どこにも確実には存在しないのです。
確率の塊として、Ａ地点にいる可能性60%、Ｂ地点にいる可能性40％、
という形で実際にＡ地点にもＢ地点にも薄く存在しているというイメージなのです。
例えば、「だるまさんが転んだ」の遊びを電子さんとしたとしましょう。
電子さんは、右から近づくか左から近づくか両者の可能性がそれぞれ50%ずつあるとします。
あなたが「だ〜るまさんがこ〜ろんだ〜」って言っている間は、
電子さんは実は右にも左にも両方に存在するのです。
ただし、それぞれ50%の存在として。意味不明ですね。
おそらくこの状態は、人間の脳では理解できない状態であると思われます。
そして、「だ〜るまさんがこ〜ろんだ〜」って言い終わった後、
あなたが勢いよく振り返ると、電子はどのようになっているのか。
まだ、分身の術のように右と左に両方にいるのでしょうか？
いいえ、違います。
なんと、観測した瞬間に、電子の位置がヒュパッと一つに収縮するのです。
すなわち、100%の電子が右か左かどちらか一方に確定するのです。
　
観測しようという人の意思が加わると、
ミクロの世界は、その形を変えるということ。
ここ非常に重要です。
いくら念じてもビリヤードの玉は自然に動きませんが、
電子は観測すると、物理的な力がかかっている訳でもないのに
観測するという人の意思によって、存在の仕方が変わる訳です。
これは電子に限りません。
電子並みにミクロなものは全て、観測される前とされた後では存在の仕方が変わります。
　
「そんな馬鹿な」と思った人がアインシュタイン。
彼は、相対性理論というマクロの世界の予測式を打ち立てた偉大な科学者です。
超微小の世界では、観測する前は確率でしか表せないだって？
彼は「神はサイコロを振らない」よと、量子力学を否定します。
今は見つかっていないが、絶対ミクロの世界の状態を予測できる式があるはずだと。
　
そして、エルヴィン・シュレーディンガー博士も
量子力学の考え方を否定する一人だったのです。
おいおい、ミクロはマクロと違うだって？
マクロはミクロの世界の積み上げなんだぜ。
じゃあ、ミクロの世界の影響がマクロの世界に繋がったら
こんなとんでもないことになるけど、いいのかい？
　
ここで例としてあげられたのが、
後に「シュレーディンガーの猫」と言われる思考実験なのです。
　
この実験の本質は、ミクロとマクロを繋げることにあります。
まず、ミクロ側として放射能物質のラジウムとガイガーカウンター。
ラジウムは、原子核がアルファ崩壊という現象を起こしてアルファ粒子を放出します。
これはミクロの現象。
ゆえに人間は、この現象が実際に起こるかどうかは判断できません。
人間には、確率でしか知ることのできない領域なのです。
もしくは、人間には認知することのできない奇妙な状態と言えます。
この時ラジウムがアルファ粒子を出すアルファ崩壊を起こす確率が50%だとすると、
ラジウムはアルファ崩壊している状態とアルファ崩壊していない状態が
いわば同時並行的に重なりあった奇妙な分身状態となっていると
量子力学では説明する訳です。
　
次に、このミクロの現象をマクロにつなげます。
実際にガイガーカウンターでアルファ粒子を測定するのです。
ただし、人間がこのガイガーカウンターを見ることは許されません。
なぜなら、人間が観測した瞬間に、50%の確率で両立していた状態が、
どちらか100%の状態に収束してしまうからです。
　
そして、最後に登場してもらうのが可愛そうな猫。
このラジウムやガイガーカウンターは、
人間の目に触れないように大きな箱の中に入っているのですが、
この猫も箱の中です。
箱には窓もなく、中の様子は一切うかがい知ることができません。
　
この猫には過酷な運命が用意されています。
50%の確率ですが、
アルファ粒子がラジウムから放出されてガイガーカウンターが反応したら、
自動的に毒ガスの入った瓶が割れるようになっています。
そして、この猫は死んでしまうのです。
しかし、同様に50%の確率でアルファ粒子が放出されない可能性もあります。
その場合、ガイガーカウンターは反応せず、毒ガスも放出されず、
猫は無事に生還できます。
　
この箱の中の猫。
人間が確認するまでのあいだ、どういう状態でいるか？
量子力学が説明するように、
ラジウムの方は、放出している状態50%と放出していない状態50%の
二つの状態が重なり合っている状態です。
すると猫の方も、死んでいる状態50%と生きている状態50%が重なり合っている状態になります。
人間が箱の中を確認するまでは、50%死んでいて50%生きている状態が重なり合っている訳です。
説明が難しいのですが、
「ふたを開けたら、猫が生きている確率は50%です」という通常の確率の話ではなく、
くどいですが、本当に両方の状態の猫が平行して両立して存在しているのです。
そして、人間が箱を開けて中を確かめた瞬間に猫の生死はどちらかに収束する訳です。
　
「んな訳あるか！」と言ったのが、このシュレーディンガー博士です。
　
しかし、現在では量子力学が正しいのではないかという認識が主流です。
すなわち、「んな訳あるか！」という状態が実際にあるのです。
人が確認するまでは何が起きているかわからない。
あなたの後ろにお化けがいても不思議ではない状況ですね（笑）
ただし、後ろを振り返った瞬間にお化けのいる確率は非常に低いので、
いない状態に収束してしまいますが。
　
実際、量子力学の考え方を応用してパソコンに欠かせない半導体などが作られています。
そういう意味では、この一見とんでもの量子力学は、概ね正しいと言えるかもしれません。
　
さて、冒頭で
『「○○さんってすご〜い！」ってことになる確率が
　50％くらいあるのではないでしょうか。』
と書きました。
この女性が、実際に「○○さんってすご〜い！」と思うかどうか、
まあ当たり前の話ですが、アインシュタインにも予測は不可能でしょう。
　
実は、人の意思と量子力学が説明する奇妙なミクロの世界は似ています。
　
あなたが次にする行動は誰にも予測できないのです。
自由意思は、まだどんな科学者にも解明できていませんからね。
　
今注目を集めている「量子脳理論」では、
私たちになじみの深いマクロの物理現象ではなく、
奇妙な量子力学のミクロの物理現象の延長線上に自由意思を解く鍵があるとしています。
これについては、後日のブログでご紹介したいと思います。
　
要は、人間の自由意思は物理学の計算なんかじゃ測れないのです。
世界を構成するミクロの世界と同様に。
　
アインシュタインの言葉を逆手にとれば、
人間の自由意志は神にすら（サイコロの結果のように）予測不可能な事象なのです。
　
この部分、科学万能主義のはびこる現代社会的常識からしたら、
心という存在が単なる物理現象ではないということを示したものすごい話という訳で。
このワクワク感が、私の拙い説明でもうまく伝わっていたら幸いです。
　
とにかく、心や自由意思というものは、
単なる（目に見える）物質とは違う次元のものだと言うところを理解してもらったうえで、
後日ブログに載せる「量子脳理論」に話を続けていきたいと思います。
　
それでは、長くなってしまいましたが、今日はこの辺で。