シュレディンガーの猫実験は、量子物理学のコペンハーゲン解釈の想定される欠点を強調するために、特に測定の問題を強調するために、1935 年に物理学者エルヴィン シュレディンガーによって想像されました。
量子力学は、世界の記述が確率振幅 (波動関数) に依存しているため、考えるのが比較的困難です。これらの波動関数は線形結合で見つかり、「重ね合わせ状態」が生じます。しかし、いわゆる「測定」操作中には、量子対象は決定された状態で発見されるだろう。波動関数は、オブジェクトが特定の状態にある確率を示します。
それはシステムを摂動させ、重畳された量子状態（原子は無傷と崩壊の両方…ただし、完全に決定される所定の時間間隔で崩壊する確率がある）から測定された状態に向かって分岐させる測定です。この状態は測定前から存在するものではなく、測定によってそれが起こるように見えるのです。
しかし、測定や分岐の概念は量子形式主義では明示的にも間接的にも現れず、この概念を明らかにしようとする試みは極度の困難に直面します。その結果、物理学者の中には、測定や観察の概念に物理的現実性を認めない人もいます。彼らにとって、重ね合わせられた状態は崩壊 (または「分岐」) せず、測定された状態は実際には存在しません (例: Hugh Everett を参照)。
シュレーディンガーがこの思考実験を想像したのは、この立場の逆説的な性格を明らかにし、印象的な方法で問題を提起することです。
「その経験」
そこでエルヴィン・シュレーディンガーは、放射性物質の原子の崩壊を検知するとすぐに猫を殺す装置を備えた密閉箱に猫を閉じ込める実験を想像した（例：典型的な放射能検出器ガイガーを、電子機器に接続した）スイッチがハンマーの落下を引き起こし、気体毒の入った小瓶を破壊する）。
確率が 1分後に崩壊が起こる確率が 2 分の 1 であることを示している場合、量子力学は、観測が行われるまで原子は同時に2 つの状態 (無傷/崩壊) にあることを示します。しかし、エルヴィン・シュレディンガーが想像したメカニズムは、猫の状態（死んだか生きているか）を放射性粒子の状態に結び付け、その開口部まで猫は同時に2つの状態（死んだ状態と生きた状態）になることになる。ボックス (観察) は 2 つの状態の間の選択を引き起こします。そのため、1分後には猫が死んだかどうかを判断することはできません。
したがって、主な困難は、粒子についてはこの種の状況を受け入れる準備ができているとしても、それが猫のようなより身近な物体である場合、心は非常に不自然に見える状況を簡単に受け入れることを拒否するという事実にあります。
なぜシュレーディンガーの猫なのか？
この実験は次の理由により実行されませんでした。
- 猫を重ね合わせた状態を保存する技術的条件は非常に難しい
- そして、たとえこれらの条件が達成されたとしても、それは純粋な思考実験であり、原理的にさえ実現不可能です。実際、猫の状態を知ろうとすると必ず波動関数の崩壊が生じるため、猫が死んでいるのか生きているのかを直接証明したり測定したりすることは決してできません。
実際、目標は何よりも印象を与えることです。量子論が猫の死んだ状態と生きた状態の両方を許容するとしたら、それはそれが間違いであるか、あるいは私たちが偏見をすべて再考する必要があるかのどちらかです。
シュレーディンガー自身は、死んだ猫と生きた猫を導き出した量子力学のコペンハーゲン解釈に反論するためにこの実験を思いついた。アインシュタインも火薬庫を使って同じ思考実験を行った。シュレディンガーとアインシュタインは、アンデッド猫の可能性はマックス・ボルンの波動関数の解釈が不完全であることを証明していると信じた。この状況は量子力学の奇妙さを強調していますが、それを否定するものではないことを「どのような解決策ですか?」のセクションで説明します。
量子物理学の正統的な解釈が、死んだ猫と生きた猫の両方につながるという事実は、量子力学がしばしば私たちの直観に反する法則に従うことを示していることは明らかです。さらに悪いことに、問題は「量子の世界ではどのようにして可能になるのか?」ではなく、「現実の世界ではどのようにして不可能なのか?」であることがわかります。
逸話的に言えば、この思考実験の対象となる猫の選択がどこから来たのかを疑問に思うこともできます (これはエティエンヌ・クラインが『革命は七回あった』で行っていることです)。 『Sciences et Avenir』誌は、シュレーディンガーの猫を特集した特別号で、シュレーディンガー側がチェシャ猫を参照しているという仮説を提案しています。
猫は死んでいる、生きている、というのは正しいでしょうか？
「猫は死んでいるのに生きている」という表現は確かに紛らわしく、しばしば「死んだ猫」に関するジョークを引き起こします。私たちの直観は、「猫は死んだ」と「猫は生きている」という文がそれぞれ互いの否定であることを示しています。実際、3 番目の可能性があります。猫は、いくつかの互換性のない古典的な状態を蓄積する重ね合わせの状態にある可能性があります。論理的問題は何もなく(排中律の原理は問題にされません)、量子物体が私たちの日常経験に矛盾する性質を持つ可能性があるというだけです。
「死なない猫」についての言葉の乱用を避けるために、猫は通常の分類（ここでは生か死か）が意味を失った状態にあると言う方がよいでしょう。
しかし、アインシュタインのように、観察を行うまでは猫が明確な状態を持っていないことを認めず、猫が生きているのを見たら、それは監禁されてから生きていると考えることもできます。アインシュタインはニールス・ボーアの反論を予想し、「実証主義の神秘主義者は、これが科学的ではないという口実の下で調べない限り、猫の状態を推測することはできないと反論するだろう」と述べた。
意味論的な観点から、猫の状態が粒子の状態に直接従うことを認めても、猫が死んでいる、生きていると言うのは完全に正当ではありません。より正確に言えば、それは正当です。
同時に複数の状態になることはどのようにして可能でしょうか?
これらの重ね合わせを承認するのはまさにシュレーディンガー方程式です。量子物理学の枠組み内で研究される粒子の可能な状態を支配するこの方程式は線形です。つまり、粒子の 2 つの可能な状態について、これら 2 つの状態の組み合わせは次のようになります。という状態も考えられます。一方、観察は単一の状態への還元を引き起こします。
粒子の状態と猫の生命との間に直接の依存関係を引き起こすことができれば、観察するまで猫を死んだ状態と生きた状態で重ね合わせておくことができ、猫を単一の状態に減らすことができるはずです。 。
どのような解決策でしょうか？
このパラドックスを解決するために、さまざまなオプションが提案されています。
デコヒーレンス理論
伝統的な量子理論家は、重ね合わせ状態は、2 つの状態 (デッドまたはアライブ) 間の選択を「引き起こす」環境との相互作用がない場合にのみ維持できると主張しています。これがデコヒーレンスの理論です。破壊は、私たちが「手段」として解釈する「意識的な」行動によって引き起こされるのではなく、最初の物理的な相互作用によって引き起こされるため、相互作用が多ければ多いほど、一貫性はより早く破壊されます。したがって、巨視的スケール、つまり数十億個の粒子のスケールでは、破壊は事実上瞬時に起こります。つまり、非常に小さなサイズ（数個の粒子）の物体に対してのみ重ね合わせの状態を維持することができます。デコヒーレンスは、観測者の存在や測定に関係なく発生します。したがって、矛盾はありません。猫は箱を開けるずっと前から決まった状態にあります。この理論は、特に物理学者のローランド・オムネスとノーベル賞受賞者のマレー・ゲルマンによって擁護されています。
隠れパラメータを使用したデコヒーレンス理論
デコヒーレンス理論の変形は、特に物理学者のロジャー・ペンローズ、リミニ、ギラルディ、ウェーバーによって擁護されています。それは、デコヒーレンスが特定の場合の量子法則からのみ証明されるという観察から始まり、任意の内容 (「粗粒」ストーリー) を持つ単純化された仮説を作成することによって始まります。さらに、量子法則は基本的に線形であり、デコヒーレンスは本質的に非線形であり、最初のものから2 番目のものを得ることは、これらの物理学者の目には非常に疑わしいように見えます。したがって、量子法則だけではデコヒーレンスを説明することはできません。したがって、これらの著者は、量子法則（たとえばペンローズの場合は重力の作用）に追加の物理パラメータを導入して、観測者の存在や測定の存在とは無関係に常に発生するデコヒーレンスを説明しています。
この理論は、「デコヒーレンスを説明する微視的レベルと巨視的レベルの間で何が起こっているのか」という質問に対して明確で客観的な答えを提供するという、前の理論に比べて利点があります。欠点は、これらの追加パラメータが既知の実験と一致しているにもかかわらず、これまでに確立された完全な理論に対応していないことです。
実証主義的なアプローチ
ヴェルナー・ハイゼンベルクやスティーブン・ホーキングに代表される多くの実証主義物理学者は、波動関数は現実そのものを記述するのではなく、私たちがそれについて知っていることだけを記述すると信じています。言い換えれば、量子法則は実験の結果を計算して予測する場合にのみ役立ち、現実を記述する場合には役に立ちません。この仮説では、猫の重ね合わせ状態は「現実の」状態ではなく、それについて哲学する理由はありません（したがって、スティーブン・ホーキング博士の有名なフレーズ「『シュレーディンガーの猫』を聞くと、私はリボルバーを取り出す）」。同様に、「波動関数の崩壊」には現実性はなく、システムに関する私たちの知識の変化を単に説明しているだけです。したがって、物理学者の間で依然として広く普及しているこのアプローチのパラドックスは解消されます。
平行宇宙理論
エベレットによって導入された並行宇宙の理論は、実証主義的アプローチとは逆の見方をしており、波動関数が現実と現実のすべてを記述すると規定しています。このアプローチにより、2 つの同時状態を別々に記述することが可能になり、パラドックスの中に溶け込んで消滅したように見える二重の現実(より正確には、 2 つの完全に平行した宇宙にある 2 つの現実– そして間違いなく一度完全に相互に通信することができない) を与えることができます。分離されています）。この理論は、現実の重複 (多世界) があるのか、それとも同じ現実の観察者とは異なる重複 (多心) があるのかという問題についてはコメントしていないことに注意してください。それらは機能的な違いを示さないからです。
驚くべきことに、この理論は実証主義者ではなく、デコヒーレンスの理論に納得しておらず、量子法則は正確で完全であると考えている多くの物理学者によって支持されています。
量子論の根本的な再定式化
猫のパラドックスは、まさに量子法則の定式化にその源があります。別の方法で定式化された代替理論が確立できれば、パラドックスは自然に消滅します。これは、ルイ・ド・ブロイのアイデアに触発されたデイビッド・ボームの理論の場合に当てはまります。この理論は、隠れた (非局所的な) 変数を使用して、量子物理学の既知の現象すべてを現実的なアプローチで再現します。この理論では粒子の重ね合わせも波動関数の崩壊も存在しないため、この観点からはキャットのパラドックスは不十分に定式化された理論の産物であると考えられます。ベームの理論は既知のすべての量子現象を再現することに成功しており、この理論の客観的な欠陥は強調されていませんが、物理学者のコミュニティではほとんど認識されていません。しかし、後者にとっては、これは興味深い例であり、非局所的な隠れ変数を含む理論のパラダイムであるとさえ考えられています。
意識の影響理論
1963 年のノーベル物理学賞受賞者ユージン・ウィグナーは、デコヒーレンス (状態重ね合わせの停止) における意識の相互作用の理論を支持しています。この解釈では、猫が生きているかどうかを最終的に「決定」するのは、測定や物理的相互作用ではなく、観察者の意識ということになります。舷窓を通して見ると、目 (この場合は測定装置) は状態の重ね合わせに入ります。
どうやって ？ウィグナーはそんなことは言っていない。しかし、彼の立場の結果は重要です。世界の物質的な現実は私たちの意識によって決定され、これは独特です（2人の人間の観察者が同じものを認識する必要があります）。この解決策は、「追加パラメータ」が意識である「隠れた変数を使用する」解決策の変形と見なすことができます。この解決策の利点は、隠れ変数を使用した解決策と同じですが、欠点は、もちろん、非科学的な概念 (意識の科学的定義の欠如) に基づいていることです。
興味深いバリエーションにより、結果はさらに壮観になります。1時間後にカメラが猫の画像を撮影し、その後猫がいる部屋が永久に密閉されます (舷窓が閉じられます)。写真が開発されるのは1年後です。しかし、人間の良心が猫の生死を決めるのはその瞬間です。神経信号は時間を遡って猫の生死を決めるのでしょうか?これはばかげているように思えるかもしれませんが、マーラン・スカリー実験とEPR のパラドックスは、量子物理学における明らかな時間フィードバックの存在を示しています。
もし猫が観察者だったらどうなるでしょうか？
シュレーディンガーの猫のパラドックスを解決するには、猫には観察者の役割を果たすことができる意識がないことを考慮します。したがって、シュレディンガーの猫の経験はアインシュタインの火薬庫の経験と同等であると仮定します。しかし、観察者を実験に参加させるなど、さまざまなバリエーションが想像されています。
ウィグナーの友人
ユージン・ウィグナーが想像したこのバリエーションでは、彼の友人の一人が舷窓から猫を絶えず観察しています。この友人は猫が好きです。
したがって、意識のある観察者も重ね合わせた状態にできると仮定すると、死んだ猫と生きている猫の状態の重ね合わせは、ウィグナーの友人の悲しい/幸せな状態の重ね合わせにつながるでしょう。上記の解釈のほとんどは、代わりに、ウィグナーの友人の状態に至る前に状態の重ね合わせが壊れると結論付けています。
量子自殺
量子自殺は、観察者の役割を果たすことができる人間が猫の代わりになることを示唆しています。この状況は、意識が役割を果たすことを可能にする解釈にとって問題を引き起こします。なぜなら、私たちの勇敢なボランティアは、生きているという定義によってのみ意識を持つことができるからです（「生のものと調理されたもの」も参照）。これは新たな疑問につながります。
（意識のない）猫の場合とは異なり、この実験は解釈によって異なる結果が得られます。したがって、多くの明白な理由で実現不可能でない限り、いくつかの解釈を排除することが可能になります。
ウィグナーの解釈
ウィグナーの解釈は、私たちのボランティアの死は不可能であるという結論に導きます…したがって、原子の崩壊は禁止されなければなりません。
実際、ウィグナーによれば、直接的または間接的に波動関数の崩壊を引き起こすのは状態の認識です。意識は「生きている」場合にのみ可能であるため、「死んだ」状態での波動関数の崩壊は不可能になります（少なくとも実験者の状態を認識するウィグナーの「友人」がいない限り） ）。
減衰確率が 1 に非常に近づくと何が起こるでしょうか?人間は自分の死を認識できないため、原子はいつまで崩壊しないことを受け入れるのでしょうか?
エベレットの複数の宇宙の場合
「量子自殺」のケースは、もともとこの解釈に対抗するために想像されました。
この解釈は、意識にとっても役割を果たします。なぜなら、各観測ごとに、意識は物理的に可能な観測と同じ数の宇宙に「分割」されると述べているからです…
この解釈では、実験者が生きている宇宙が常に少なくとも 1 つ存在します (死ぬ確率が 100% でない限り)。したがって、「意識」は宇宙の中で「生きている」結果と系統的に分岐していないので、一種の「量子的不死」につながるのではないかと考えることができます。作家で俳優のノルベルト・アブダラーンは、このテーマを題材にした戯曲「シュレーディンガーの猫」に刺繍を施しました。
情報理論
結論
いずれにせよ、この思考実験とそれに関連するパラドックスは、今日では量子物理学の中心的なシンボルとしての価値を帯びています。それらがこの理論の一側面をサポートするのに役立つか、それとも異なる理論的選択肢を擁護するのに役立つかにかかわらず、巨視的な現実と微視的な現実の間の困難な収束（量子世界に特徴的な状況）が観察されるたびに、事実上彼らは救助に呼び出されます。または仮定されます。
このアンデッドの猫は突飛な思考実験のように思えるかもしれませんが、量子力学の複雑さへの良い入門書です。量子コンピューターの長期的な実現は、まさに重ね合わせ状態とデコヒーレンスの制御(したがって、このパラドックスの解決) に依存していることに注意することも重要です。
