【量子力学入門⑥】箱を開けた瞬間、世界は分裂していた

【前回までの記事】
①物理学が詰んだ日

前回、コペンハーゲン解釈には、ずっと拭えない弱点があるという話をした。「観測」とは何なのか、誰も明確に説明できない。観測する人間だけが、理論の外側に特別扱いで置かれている。これは、世界全体を説明しようとする理論としては、かなり居心地が悪い。

この居心地の悪さに、正面から異議を申し立てた男がいる。

ヒュー・エヴェレット三世。1950年代、まだプリンストン大学の学生だった彼は、ある大胆な提案を博士論文に書いた。指導教官はジョン・ホイーラーという、当時すでに名の知れた物理学者である。

エヴェレットの提案は、こうだ。

「波動関数の崩壊なんて、そもそも起きていないのではないか」

これだけ聞くと、わけがわからない。前回までの話では、観測すれば重ね合わせが崩れて、結果が一つに決まる、という前提で進んでいたはずだ。崩壊が起きていないなら、箱を開けた猫は、死んでいるのか生きているのか、結局どっちなのか。

エヴェレットの答えは、こうだ。

「両方です。ただし、別々の世界で」

箱を開けた瞬間、箱を開けたあなたは、生きている猫を見る。

同じ瞬間、別のあなたは死んだ猫を見ている。

どちらか一方が消えたのではない。
あなた自身が二人に分かれ、それぞれが別の世界を生き始めたのである。どちらの世界も、同じくらい本物の現実として、それぞれ独立に存在し続ける。あなたから見れば、結果が一つに絞られたように感じるかもしれない。だがそれは、あなたがそのうちの片方の世界を生きている、というだけのことだ。隣の世界では、別のあなたが、別の結果を見て驚いている。

これが「多世界解釈」と呼ばれる立場である。

コペンハーゲン解釈は、「観測すれば、重ね合わせの片方が消えて、もう片方だけが残る」と考える。多世界解釈は、「どちらも消えない。世界そのものが、その数だけ分かれる」と考える。

分かれるのは未来だけではない。その瞬間から、それぞれの世界は別々の歴史を歩み始める。

最初に聞くと、こちらの方がよほど突飛に思える。猫一匹を箱に入れるだけで、世界が分裂するというのだ。しかも、これは猫に限った話ではない。電子がスリット①を通るか②を通るかという、あの最初の話からして、すでに世界は分裂していたことになる。さらに言えば、宇宙のどこかで粒子と粒子がぶつかったり、光が何かに吸収されたりするたびに、世界は分裂しているはずだ。そしてそういう出来事は、1秒間に「数える」という行為が意味をなさないくらいの頻度で、絶え間なく起きている。つまり世界は、ほとんど常に分裂し続けている、ということになる。

ここまで聞くと、「観測者を特別扱いしない代わりに、無限に世界を増やすことにしたのか」と突っ込みたくなる。コストの種類を付け替えただけのように見える。

しかし、エヴェレットの側からすれば、これにはちゃんとした利点がある。コペンハーゲン解釈最大の弱点だった、「観測とは何か」「なぜ人間の観測だけが特別なのか」という問いそのものが、多世界解釈では消えてなくなる。観測者は、理論の外側に立つ特別な存在ではない。観測者自身も、分裂していく世界の中の、ただの一部に過ぎない。猫を見る人間も、量子力学の方程式の中に、何の例外もなく、すっきり収まってしまう。

鏡を作っている自分の顔だけが鏡に映らない、という前回の気持ち悪さは、ここでようやく解消される。自分も含めて、世界全部が、同じ一つの方程式の中で動いている。

なんとも筋の通った話に聞こえる。ただし、世界が絶え間なく分裂し続けている、という、これまでで一番突飛な前提を飲み込めるなら、という条件付きである。

エヴェレットがこの理論を発表したとき、当然ながら、当時の物理学界の反応は冷ややかだった。ボーアをはじめとする重鎮たちは、ほとんど取り合わなかったという。エヴェレット自身も、その後アカデミアから距離を置き、軍事関係の仕事に転じてしまう。彼の理論が再評価され、量子力学の有力な解釈の一つとして扱われるようになったのは、彼が亡くなった後のことだった。

ちなみに、エヴェレットの息子は、後にロックバンドのミュージシャンになった。父親が「世界は分裂し続けている」という曲のような理論を物理学に持ち込んだ一方で、息子は普通に曲を書いて売っていた、というのは、なかなか面白い巡り合わせである。

さて、ここまで紹介したコペンハーゲン解釈と多世界解釈は、どちらも「正しい」と確定したわけではない。これ以外にも、量子力学の奇妙さをどう解釈するか、物理学者たちはいくつもの立場を提案してきた。

世界は一つしかなく、ただ我々の知識が足りていないだけだ、という立場。粒子には、最初から決まった軌道があり、それを導く「隠れた波」が存在する、という立場。意識そのものが、重ね合わせを崩す鍵を握っている、という、かなり際物の立場まである。

どの解釈を取っても、計算結果(電子がどこに見つかるか、猫が何パーセントの確率で生きているか)は、まったく同じになる。違うのは、その計算の「裏側で何が起きているか」についての物語だけだ。

これは奇妙な状況だ。量子力学という理論は、現代科学の中でも、もっとも正確に現実を予言できる理論の一つである。なのに、その理論が描いている世界の「本当の姿」については、100年近く経った今でも、物理学者たちの意見が一致していない。

式は合っている。だが、式が何を意味しているのか、誰も完全には説明できない。

奇妙なことに、この「解釈の謎」は、量子力学を実際に使う上では、ほとんど支障にならない。

重ね合わせというのは、実はかなり気が弱い。周りに熱や振動、わずかな空気の揺れがあるだけで、すぐに周囲に影響されてしまう。結果として、我々には「どちらか一方に決まった」ようにしか見えなくなる。シャボン玉が、ちょっとした風や指先でパチンと割れてしまうのに近い。割れた瞬間、そのしずくがどこに何が飛んでいくかは、もうかなり正確に計算できる。

量子コンピュータが、機械をほぼ絶対零度まで冷やし、外の世界から厳重に隔離しているのは、まさにこの「気の弱いシャボン玉」をできるだけ長く割らないようにするための工夫だ。シャボン玉を守るために、無風の特別な部屋に閉じ込めて、誰も近づけないようにしている、というイメージである。

つまり、「重ね合わせがどう割れていくか」という力学的な問いには、もう十分すぎるほどの答えが出ている。それでも残るのは、シャボン玉が割れたように見えるとき、本当に消えたのか(コペンハーゲン解釈)、それとも自分がそのひとしずくに乗っているだけなのか(多世界解釈)、という、解釈のレベルの問いだ。エンジニアも、化学者も、半導体メーカーも、この解釈レベルの問いには見て見ぬふりをしながら、シャボン玉の割れ方の計算式だけを几帳面に使って、毎日のように新しい技術を生み出している。

哲学は宙ぶらりんのまま、工学だけがどんどん先に進んでいく。これもまた、量子力学らしい光景だと言えるかもしれない。

ただ、ここで一つ、誤解してはいけないことがある。

「解釈はどうでもいい、計算式だけ使えばいい」というのは、量子力学のすべてが人間の都合で自由に決められる、という意味ではない。計算式そのものの中には、解釈の好みとは関係なく、誰にもどうにもできない、もっと根本的な限界が組み込まれている。

たとえば、ある粒子が「今どこにいて、どれくらいの速さで動いているか」を、同時に正確に知ることは、原理的に不可能だ。これは測定器の性能が悪いから、というような、技術の問題ではない。どれだけ装置を改良しても、絶対に埋まらない隙間が、最初から世界の仕組みそのものに空いている。

世界は、観測されるまで答えを決めていないだけではない。

さらに厄介なことに、量子力学の式そのものが、「ある種の問いを同時に成立させること」を拒んでいるように見える。

次に潜るべきなのは、その隙間の話だ。

量子力学が世界に刻み込んだ、逃れようのない限界。

それが、不確定性原理である。

次回
【量子力学入門⑦】神様にも測れない