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シュレーディンガーの猫 量子力学の思考実験

 

 

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シュレーディンガーの猫を知っていますか?

 

最初に言っておきますが、これは量子力学の思考実験の問題です。

量子力学なのでなかなか理解し難い部分が多いと思います。

 

状況

まずはシュレーディンガーの猫の状況をご説明します。

実験装置となるのは蓋のある箱で、その中にガイガーカウンター放射性物質ラジウム、青酸ガス発生装置を用意します。

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ガイガーカウンター放射線を感知したら青酸ガスが発生するような仕組みです。放射性物質であるラジウムは原始的に不安定な物質で崩壊してラドンになる時に放射線を発します。その放射線ガイガーカウンターに感知される(箱を開けるまでにラジウムが崩壊している)と青酸ガスが発生し、猫は死んでしまいます。逆に箱を開けるまでラジウムが発生しなかった場合には青酸ガスが発生しないので猫は生きていることになります。

つまり猫の生死は放射線が発生したかどうかのみで決まります。そして箱を開けなければ猫の生死は確認できないとします。

 

問題

さて、箱を閉めてから1時間以内にラジウムが崩壊し、放射線を発する確率が50%だとしましょう。1時間後、箱の中の猫は生きているでしょうか?それとも死んでいるのでしょうか?

 

 

箱を開けるまで猫が生きているか確認することはできず、箱を開ける前の箱の中はどういう状態なのでしょうか?

 

このとき箱の中では猫が生きている状態と死んだ状態が重なり合った状態としか言えず、箱を開けた時に初めて生きているか死んでいるかのどちらかの状態に収束するというのがシュレーディンガーの猫という問題の概要です。

 

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ですが、実際に「理解し、納得できた」という人は少ないのではないでしょうか?

箱の中を見なくたって猫は生きているのか死んでいるのかどちらかにはなっているだろうと思いませんか?

この疑問について考えるために、この問題が提唱された背景についてご紹介します。

 

 

 

なぜ提唱されたのか

 

この話は実際の実験についての話ではなく、物理学者シュレーディンガーによる思考実験で、量子力学においては物体の状態そのものが波動(波)として表されると考えます。

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かつて物理学は電力・磁力・音・光といった様々な現象も波動であることを明らかにしてきました。それと同じく、電子や陽子、またそれらの粒子から構成される原子や分子もまた波動としての性質を持つことが量子力学の世界では明らかになりつつあります。この世界というのも結局はこの粒子からなる原子や分子の組み合わせでできているので、結果として全ての物質の状態は波として表せるというのが量子力学の考え方だと言えます。

 

この全ての物質の状態は波として表せることを覚えておいてください。

 

 

そして量子力学の世界の基本となる方程式であり、この波動しての、物質としての状態を表すのがシュレーディンガーの猫と同じように物理学者シュレーディンガーから名前をつけられたシュレーディンガー方程式です。

 

そしてこの波動には古典力学の波と同じように重なり合って存在できるという性質があります。例えば、水面の2つの芭蕉を指で突いて波紋を作るとその2つの波紋が重なり合わさる場所は波紋が合成されます。

同じように長い金属のバネを両方から2人で持ってその2人がそれぞれ箸を揺らして波を作ると、ばねに出来るのは両側からの2つの波が合成された波の形になります。

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この合成された波は2つの波が重なり合った状態だと考えられています。

 

量子力学でも重なる波動が重なり合うことが可能になります。これを猫が生きている状態と死んでいる状態が重なっていると例えたのがシュレーディンガーの猫なのです。

 

 

 

それでも理解できない

 

箱の中では生きている状態と死んでいる状態が重なり合っているなんて...

やはり理解できませんね。

 

蓋を開けたならば猫は生きているか死んでいるかの絶対にどちらかでしかありません。同じようにミクロの世界でも状態の重ね合わせは観測することによって1つの状態しか観測できなくなります。つまり状態が重なり合うことはあり得るはずですが、その重なり合っている状態その物を確認はできないのです。

 

 

解釈方法 

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この矛盾を解決する解釈の1つとしてコペンハーゲン解釈というものが提唱されています。これは観測することによって重なり合った状態が1つに収縮し、ただ1つの状態に決定されるというものです。

シュレーディンガーの猫では、箱を開けた時にどちらかが決まると言えます。ですが、箱を開ける前であっても猫の命は生きているか死んでいるかのどちらかではないでしょうか?

シュレーディンガーの猫によって提唱されたのは、まさにその問題なのです。

量子力学では重なり合っている状態というのはあくまで原子や粒子というミクロな世界の話であるとは、必ずしも限定することができないという事実をシュレーディンガーは猫を使った例え話で提唱し、重なり合っている複数の状態が観測によって1つの状態に収束するというコペンハーゲン解釈の一種の不自然さについて考えるきっかけとしています。

 

これは逆の意味でも1つの問題提起をすることになりました。

 

猫が生きているか死んでいるかのような観測しなくても区別されるだろうと考えられそうな現象は果たして本当に観測しなくても区別できるのでしょうか?

 

結局何らかの形で観測しなければ物事の状態を知ることはできません。猫がいつ死んだのかも調べればわかるかもしれませんが、それも「生きている」と「30分前に死んだ」「10分前に死んだ」という状態が重なり合って蓋を開けた時にそのうちの1つの状態になったと言われたらそれはもう完全に否定することは不可能な問題です。

 

シュレーディンガーの猫の問題は量子力学の目に見える世界と見えない世界の両方への問いかけなのです。

 

 

コペンハーゲン解釈とは異なる観測についての解釈にエヴェレット解釈というものがあります。情報量が多いので、簡単に要約してご説明します。

これは別名「多世界解釈」とも呼ばれており、重なり合った状態は常に存在しているものの、ある観測者からは1つの状態しか観測できないという観測についての解釈のことです。

これはこの世界が仮想現実なのではないのかという問題に似ていますね。

詳しくはこの世界は仮想現実だ。をご覧ください。

これもとても興味深いものです。是非見てください。

 

 

 

 

記事を読んでいただきありがとうございます。

シュレーディンガーの猫という思考実験をご紹介しましたが、理解できましたか?量子力学はこのように難しいですが、面白いですよね。重なり合った状態。量子コンピューターを知っていますか?現在制作中のコンピューターで実現すればこれまでできなかった様々なことができるようになると言われています。こちらは下のおすすめ記事でご紹介します。(量子もつれの状態とは)

この問題についてのコメントお待ちしています。

 

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