【量子力学入門⑤】世界を見ているのは誰なのか

前回までの話
①物理学が詰んだ日

②特許局の職員が、物理学界の重鎮に一人で喧嘩を売った話

③壁に開けた二つの穴が、物理学者を発狂させた話

④世界一有名な猫の話

前回、箱の中の猫が、観測されるまでは生きているとも死んでいるとも言えない、重ね合わせの状態でいる、という話をした。

ここまで読んで、賢明な読者なら、当然こう思っているはずだ。

「観測、観測ってさっきから連発してるけど、その『観測』って具体的に何のことだ」

これは、量子力学を勉強した人間が、遅かれ早かれ必ずぶつかる問いである。そして驚くべきことに、この問いに対する完全に明確な答えは、未だに存在しない。

物理学者たちが20世紀前半にたどり着いた立場は、「コペンハーゲン解釈」と呼ばれている。デンマークのコペンハーゲンで、ニールス・ボーアという物理学者を中心に練り上げられたから、そう呼ばれる。長らく量子力学の「標準的な考え方」として扱われてきた立場だ。

コペンハーゲン解釈の言うことは、おおよそこうだ。

観測されるまで、電子や原子は重ね合わせの状態にある。前回の二重スリット実験で言えば、「左のスリットを通った状態」と「右のスリットを通った状態」が同時に重なり合っているようなものだ。
観測した瞬間、重ね合わせは崩れて(これを「波動関数の崩壊」と呼ぶ)、一つの結果だけが現実になる。なぜ崩壊するのか、崩壊の瞬間に何が起きているのか、そういう「裏側のメカニズム」を問うこと自体に、あまり意味はない。我々にできるのは、観測すれば何が見えるか、その確率を計算することだけだ。

これは、ある意味かなり潔い態度だ。「なぜ」を問うのをやめて、「どうなるか」だけを淡々と計算する。実際、そのやり方は驚くほどよく当たる。量子力学は現代科学の中でも屈指の成功理論であり、その予測精度は恐ろしいほど高い。物理学の歴史の中でも、珍しいくらいの開き直りである。たとえるなら、自動販売機の仕組みを聞かれて、「ボタンを押せば、こういう確率でジュースが出てくる。それ以上の説明は求めるな」と答えるようなものだ。中の機械がどう動いているのかは、誰も保証してくれない。

ボーア自身は、この態度をかなり堂々と擁護していた。彼の有名な言葉に「量子力学にショックを受けないなら、まだ理解していない証拠だ」というものがある。つまり、納得できないのが正常な反応で、納得できた気がするなら、何かを誤解している、というわけだ。これはかなり人を煙に巻く言い方だが、同時に、量子力学という分野の本質を、誰よりも正直に言い当てている言葉でもある。

しかし、当然ながら、この「開き直り」に納得できない物理学者たちもいた。中でも有名なのが、アインシュタインである。

彼はボーアに対して、何度も食い下がった。「神はサイコロを振らない」という、彼の有名な台詞は、この文脈で出てきたものだ。電子がどちらのスリットを通るかが、本当の意味でランダムに決まる、というのが、アインシュタインにはどうしても気に入らなかった。きっと、まだ我々が知らない、もっと深い仕組みが裏に隠れているはずだ。彼はそう信じていた。

ボーアも負けてはいない。アインシュタインの「神はサイコロを振らない」という言葉に対して、彼は「神にどう振る舞うべきか指図するのはやめなさい」と言い返したと伝えられている。なかなか挑発的な返答だが、このやり取りには二人の立場の違いがよく表れている。アインシュタインは、世界のどこかにまだ隠れた仕組みがあるはずだと考えていた。一方のボーアは、自然が本当に確率的に振る舞うのだとしても、それを受け入れるべきだと考えていた。

ボーアとアインシュタインは、学会のたびに、この問題をめぐって議論を繰り返した。物理学史に残る、知の巨人どうしの長期戦である。そして、この勝負、最終的にはボーアの側に分が良かった。後の実験によって、アインシュタインが期待していたタイプの「隠れた仕組み」は、かなり苦しい立場に追い込まれた。

ただ、「コペンハーゲン解釈で正しい」と決着がついたわけでもない。

最大の弱点は、まさに最初の問いに戻ってくる。「観測」とは、一体何のことなのか。

電子を測定器で測れば、それは観測なのか。測定器の値を人間が確認したときが観測なのか。その人間が確認したことを、私が確認したときが観測なのか。

考え始めると、これがまったく曖昧なのである。コペンハーゲン解釈は「観測すれば重ね合わせが崩れる」と言うが、「観測」そのものをどこで線引きするのか、誰も明確に決めていない。

前回の猫の話を思い出してほしい。検知装置が放射線を捉えた時点で、観測は完了しているのか。それとも、箱を開けて人間が猫を見た瞬間まで、観測は完了していないのか。もし「人間が見た瞬間」が観測の条件なら、人間という存在は、この理論の中でかなり特別な地位を与えられていることになる。なぜ人間の目だけが、重ね合わせを崩す特別な力を持っているのか。猫の目では、崩せないのか。

物理学者たちは、ここで奇妙な立場に立たされた。世界を観測する人間が、その世界の物理法則の中に、うまく収まってくれないのである。理論の外側に、観測者という特別な存在を置かなければ、計算が成り立たない。だが物理学とは、本来、観測者も含めたこの世界全体を、一つの法則で説明しようとする試みだったはずだ。

「世界を説明する理論なのに、世界を見ている自分自身だけは、その理論の外に立たないと話が成り立たない」

これは、なかなか居心地の悪い状況である。鏡を見ながら鏡を作っているのに、自分の顔だけはどうしても鏡に映らない、というような気持ち悪さに近い。

コペンハーゲン解釈は、この居心地の悪さを、あえて深く追求しないことで成り立っている立場だ。「観測すれば崩れる、それでいい。観測とは何かを掘りすぎるな」というのが、その態度の核心である。

だが、これに納得できない人間が出てくるのは、当然の流れだった。

「観測者を理論の外に置かなくても済む方法はないのか」「崩壊なんてものは、本当に起きているのか」

そう問い始めた物理学者たちが、まったく違う方向から、この問題に挑むことになる。

もし崩壊など起きていないのだとしたら。

消えるのは可能性ではなく、我々の方なのかもしれない。

そして、その発想はやがて「世界そのものが分裂する」という結論へと辿り着く。

次回
【量子力学入門⑥】箱を開けた瞬間、世界は分裂していた