【量子力学入門④】世界一有名な猫の話

【前回までの記事】
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

前回、電子は誰にも見られていないあいだ、「どちらのスリットを通ったか」が定まらない、ぼんやりとした状態でいるという話をした。観測した瞬間、そのぼんやりが一つの答えに固定される。

この「ぼんやり」には、ちゃんと名前がついている。「重ね合わせ」という。

電子は、観測されるまでは「スリット①を通った」でもなければ「スリット②を通った」でもない。その両方が、足し合わさったような、奇妙な状態のまま存在している。どちらか一方に「決まっていない」のではなく、両方が同時に、文字どおり重なり合っている。これが「重ね合わせ」という状態である。観測という行為が起きた瞬間、この重なりは崩れて、どちらか一方だけが姿を現す。

ここまでは、まだ「電子という、目に見えない小さな世界だけの、ちょっと変わった話」として済ませることもできた。所詮は電子一個の話だ。我々の日常生活には関係ない、と言ってしまえばそれで終わる。

ところが、ここに一人の物理学者が、かなり意地の悪い思考実験を持ち込んでくる。

エルヴィン・シュレーディンガー。彼自身は、実はこの「観測するまで状態が定まらない」という量子力学の解釈に、賛成していなかった。むしろ、この解釈がいかに馬鹿げた結論に行き着くかを示すために、この思考実験を考えたのである。つまり彼は、量子力学に喧嘩を売るために、この話を作った。

中身はこうだ。

箱を一つ用意する。その中に、猫を一匹入れる。さらに、ごく少量の放射性物質と、放射線を検知する装置、そして青酸ガスの発生装置を一緒に入れる。

仕組みはこうなっている。放射性物質は、1時間のうちに50パーセントの確率で原子が崩壊し、放射線を出す。もし放射線が出れば、検知装置がそれを捉え、青酸ガスの発生装置を作動させる。ガスが出れば、猫は死ぬ。放射線が出なければ、何も起こらず、猫は生きている。

箱は完全に閉じられていて、外からは中の様子が一切わからない。1時間後、誰かが箱を開けるまで、結果は誰にもわからない。

ここまでは、ただの確率の話に聞こえる。コインを投げて、表が出れば死亡、裏が出れば生存。それを箱に入れて1時間待つだけの話だ、と思うだろう。実際、我々の日常的な感覚では、その理解で何も問題ない。1時間後、猫はすでに生きているか、すでに死んでいるか、そのどちらかに決まっているはずだ。我々がまだそれを知らないだけだ。

しかし、量子力学を文字どおりに、忠実に適用すると、話はそうならない。

放射性物質の原子が崩壊したかどうかは、前回の電子と同じ、「観測するまで定まらない、ぼんやりとした状態」にある。崩壊したという状態と、崩壊していないという状態が、誰にも観測されていない限り、両方同時に、重なり合って存在している。

そして、その「ぼんやり」は、検知装置に伝わり、ガス発生装置に伝わり、最終的には猫にまで伝わってしまう。

箱を開けて誰かが観測するまで、猫は「死んでいる」とも「生きている」とも言えない。量子力学の理屈を厳密に押し進めると、猫は「死んでいる状態と生きている状態が、重なり合った状態」でいる、ということになってしまう。

死んでいる猫と、生きている猫が、同時に、重なって存在する。

これは電子がどちらのスリットを通ったか定まらない、という話とは、重みが全く違う。電子の「ぼんやり」は、もっと大きなもの(放射性物質、検知装置、ガス、そして猫)へと、まるで伝染病のように広がっていってしまう。電子一個の奇妙な振る舞いだったはずのものが、生き物の生死という、誰もが直感的に理解できるレベルまで這い上がってきたのだ。

シュレーディンガーが言いたかったのはこういうことだ。「もし君たちの理屈が正しいなら、こんな馬鹿げたことが起きるはずだが、どうだ、おかしいと思わないか」。

彼は、この思考実験で量子力学そのものを皮肉ろうとした。猫が生きているか死んでいるかは、箱を開ける前から、すでに決まっているはずだ。それを「観測するまで両方が重なっている」などと言うのは、理論の言葉遊びに過ぎない。シュレーディンガーは、そう言いたかったのである。

ところが、皮肉のつもりで出したこの思考実験は、彼の予想に反して、量子力学の不思議さを説明する、最も有名な例として後世に残ることになった。皮肉として放った球が、そのまま教科書に載ってしまったわけだ。

実際のところ、現代の物理学者たちのあいだでも、この「箱を開けるまで猫はどっちつかずである」という解釈を、文字どおりに受け取るべきかどうかは、いまだに議論が続いている。猫のような、無数の原子からできている大きな存在が、本当にそんな重なり合った状態を保てるのか。それとも、どこかの段階で、自然に「どちらか一方」に決まってしまうのか。

はっきりした答えは、まだ出ていない。

ただ一つ、はっきりしていることがある。

電子一個の奇妙な振る舞いから始まったこの話は、もう「小さな世界だけの特殊な現象」では済まされなくなった。観測するまで定まらない、という性質は、放っておけば猫の生死にまで広がっていく。量子力学は、原子や電子という極小の世界の話だったはずなのに、いつのまにか、我々の生きるこの世界そのものの土台に、根を伸ばし始めていたのである。

その根が、どこまで深く、どこまで広く伸びているのか。

それを知るためには、もう少しだけ、箱の中を覗き続ける必要がある。

次回　【量子力学入門⑤】世界を見ているのは誰なのか