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2016年5月27日 (金)

「量子力学の観測問題」と「意識」1

前回言ったように、「量子力学の観測問題」と「意識」の問題を、自分なりに整理しておこうと思う。

あくまでも、「自分なりに」なので、自分の理解した範囲のものだし、自分の興味に従ってのもので、一般的な理解や興味とは異なるかもしれない。また、「整理」とは、どの説が正しいかということではなく、それぞれの考え方の基本を押さえることで、「意識」との関係を展望しておこうというものである。

いちいち基本から説き起こすことはしないので、ある程度基礎がある人しか、理解できないかもしれない。

ただ、ここ(http://www.h5.dion.ne.jp/~terun/doc/neko1.html)は、「量子力学の観測問題」について、何が問題なのか、また、それぞれの解釈の要点を、とても分かりやすく説明しているので、参考になると思う。

私なりに、「観測問題」のポイントを述べておくと、まずは、「量子」のようなミクロの存在は、たとえば、ボールのように、ある場所に確定的に位置を占めるような存在ではない、ということである。二重スリット実験が、一番分かりやすいが、「量子」は、広がりのある「波」として、A点とB点の両方を、通過できる(正確に言うと、両方を通る「確率の重ね合わせ」として記述できる)。]実際、それは、スクリーンに干渉縞を作ることから、実験的に確かめられる。

ただ、A点とB点のどちらかで、「量子」が検出されるように測定(観測)すると、その瞬間、「量子」の位置は、A点かB点に、確定される。つまり、「粒子」としての姿を現す。そうすると、A点とB点に広がっていた、「波」は消え、A点かB点かに「収縮」するのである。これを、「波束の収縮」という。

観測以前には、「波」として広がっていた「量子」が、観測により、一瞬にして、位置の確定された「粒子」に、「収縮」するのである。

「量子力学」は、「波」としての「量子」の移り変わりを、波動方程式によって、見事に記述できる。しかし、この「波束の収縮」は、「量子力学」の波動方程式からは、導くことができない。その現象が起こること自体も、A点かB点かに決められることも、波動方程式では全く説明できないのである(確率的な予測はできる)。

そこで、この「観測による波束の収縮」を、「量子力学」との関係で、どのように整合的に解釈するか、という問題が生じるのである

もっとも、狭義の「コペンハーゲン解釈」では、観測以前の、このような問題に立ち入る意味はなく、観測できる現象を確率的に予測できる、波動方程式の実用的な価値を利用すれば、十分であるとする。

恐らく、日本人の大多数も、このような「現実的」な発想をする(またはしている)ものと思う。実用的に使えるのならば、そのような「形而上」の問題に、わざわざ首を突っ込む必要などない、というわけである。

しかし、物理学者など、物質を科学的に完全に解明したい人たちは、「量子力学」が、このように、釈然としないものを抱えていることには、満足できず、何らかの、整合的な解釈を求めもするだろう。

また、「物質とは何か」、「意識との関係」はどうなのか、という問題を、科学に限らず、全体として考察したい人にとっても、この問題は、避けて通れないことだろう。

実は、この問題の解釈には、さまざまなものが提示されている。『量子力学の哲学』(講談社現代新書)などを読んでも、非常に多くの解釈があげられていて、理解し難いほど複雑なものもあることに、驚かされる。

大枠的に言うと、それらは、2つの方向に分けられるように思う。1つは、量子力学自体は、量子を「確率の波」という、「抽象的」なものとしてしか捉えられないが、「波束の収束」という事態によって、具体的に確定的なものとして、引き出される。この「波束の収縮」ということに重点をおいて、「量子力学」を捉える、あるいは、そのような「量子力学」は、「不完全」なものとみて、より完全な理論に修正しようとする方向にあるもの。

これは、観測という行為との関わりにおいて、「量子力学」のある種の限界を認める解釈ともいえる。それを踏まえて、「意識」というものをも、新たな理論に取り込んでいこうとするものもある。

2つは、「量子力学」は、量子の振る舞いを見事に記述するもので、むしろ、物質の本質を捉える、完全な理論となり得るという方向で捉えるもの。この方向では、「波束の収縮」という事態は、そのままでは認め難いもので、何とか、回避しようとするか、量子力学と整合するように、解釈しようとする。

しかし、この方向の多くは、「量子力学」を完全なものとしたいばかりに、「波束の収縮」という忌むべき事態を、アクロバット的に回避する理論または解釈を、無理やり捻り出しているように思える。ちょうど、宇宙論で、物理量が成り立たない「特異点」を、アクロバット的に回避すべく、複雑な理論が捻り出されているのと同様である。(超ひも理論も、リサ・ランドールの理論も、結論的には興味深いものがあるが、そのような導出過程には、どうも怪しいものを感じてしまう。)

今回は、それら多くの解釈には触れず、伝統的で基本的な、いくつかの解釈だけをとりあげることにする。

まず、何度か触れたように、この「観測による収縮」は、「意識」によってもたらされるという解釈がある。「意識」という、物質から独立したものの作用によるので、物質自体を記述する、量子力学からは、導けないのも当然ということである。先の2つの方向では、前者の代表といえる。

前回、ミチオ・カクは、ウィグナーの説として紹介していたが、初め、フォン・ノイマンにより提示されたので、「ノイマン‐ウィグナー理論」と呼ばれる。

量子力学は、ミクロの領域を記述するものだが、マクロの物質といえども、ミクロの量子の集合体であり、量子力学が当てはまるものである。だから、全体として、物質的過程の内部で、「波束が収縮」するという理由はない。そうすると、物質的過程からは独立した、「意識」というものを持ち出すしか、説明のしようがないというのである。

「意識」なるものは、物質的過程では説明できず、物質から独立したものとみる人たちには、「我が意を得たり」というような解釈である。しかし、物質から独立した「意識」などを認めたくない科学者の多くは、もちろん、この解釈に反対した。現在も、決して主流ではないし、解説書などでも、「皮肉」な扱いを受けるのが、常のようだ。

実際、「シュレディンガーの猫」という思考実験も、この解釈にのっとれば、ミクロの領域の、「確率の重ね合わせ」の状態を受け継いで、猫が、「生きていると同時に死んでいる」(両方の状態の重ね合わせの状態)ということになってしまう。そんなことは、認められないという意図で、シュレディンガーが提出したものだった。

それは確かに、大きな問題には違いない。が、それにしても、この思考実験の提示が、この問題を興味深いものとして、多くの者に知らしめた意義は大きいだろう(私もそうだが、多くの人は、この問題をきっかけに、「観測問題」に興味をもつのだろう)。ともあれ、「意識」の問題が、科学の根本に関わる問題として、正統的に扱われ始めたという意味では、この解釈の提示は、画期的なこととはいえよう。

私も、基本的には、このように解釈できる可能性が十分あると思う。

しかし、「シュレディンガーの猫」の問題のほかにも、この解釈には、疑問や腑に落ちない面も多い。「量子的な波」が、一々「意識」によって、収束されなければ、現象として結実しないというのも、納得し難いものがある。また、意識によるとすると、具体的には、誰の意識なのか、どのように決定されるのか、たとえ、「集合的な意識」というものを持ち出しても、必ずしも、十分説明できるとは思えない。

物質的な過程が、「確率的な可能性」だけを提供していて、あとは、「その中から、意識で好きなように選んでね」というのも、何か、中途半端なものを感じる。

次に、量子力学的な「確率の波」は、マクロのレベルの観測装置と相互作用することにより、収縮するという解釈がある。「波束の収縮」は、物質から独立する「意識」などを持ち出さなくとも、物質的な過程の中で、説明できるとするものである。

「量子力学」自体をどう捉えるかには、踏み込まずに済ませるから、先の方向のどちらとも言い難いが、基本的には、後者に入るだろう。

マクロのレベルの観測装置といえども、量子力学的な過程に従うのは確かである。しかし、マクロの物質における量子の状態は、環境により様々な影響を受けて、ランダムな状態にある。それが、量子と相互作用すると、波の位相を打ち消し合って、波としての性質を喪失するというのである(水の波が、多数の波とぶつかると、打ち消し合って、消えてしまうのと同じ原理)。「デコヒーレンス理論」とも呼ばれる。

これは、ミクロの「不確定性」の問題を、マクロのレベルに持ち込むのを回避できる、とても「穏当」な解釈である。マクロのレベルでは、物事を確定的に捉えられるという、日常的な感覚とも符合する。私も、この解釈を初めに知ったときは、恐らくそのとおりなのだろうと思った。

しかし、「確率の波」が打ち消し合うということでは、「波束の収縮」を完全には説明できないことが、数学的に証明されているという。また、最近は、マクロのレベルでも、「確率的な波の重ね合わせ」の状態が起こることが、実験的にいろいろ確かめられている。(たとえば、ここ  http://tocana.jp/2016/01/post_8476_entry.html

そうすると、この解釈によって、「波束の収縮」が説明できるとするのは、難しいことになるだろう。

最後に、前回もみたように、「波束の収縮」なるものは実際には起こらず、観測によって生じる可能性のあった他の可能性は、他の世界で、それを観測する観測者とともに、併行して存在しているという解釈がある。ほとんど無限の「パラレルワールド」を認めるもので、「多世界解釈」と呼ばれる。先の2つの方向では、後者の代表である。

このような「パラレルワールド」など、現実の話としては、あり得ないと考える者には、とてもついていけない解釈ではあろう。しかし、これは、「波束の収縮」なる、説明不可能なものを認めず、「量子力学」によって、宇宙の全てを説明したいという者には、魅力的な解釈のようである。

この説は、量子力学的な、「確率の重ね合わせ」という状態は、ミクロとマクロの物質のみならず、意識をもった観測者も含めて、全てに当てはまるとみる。だから、観測したからといって、それが収縮して、確定するなどということはない。ただ、それを観測する観測者と、観測される事象の世界が、その可能性の数に応じただけ、併行して存在するというのである。

ただし、それらの世界は、互いに分岐して、もはや交わることはないとされる(先のデコヒーレンス理論と同様、波の位相が打ち消し合って、干渉することがない、ということのようである)。だから、たとえそれらの世界があるとしても、それを認識したり、確かめる手段は、全く存在しないのである。

何とも、壮大ではあるが、「無意味」な解釈ともいえる。量子力学的には、最も「無駄」のない、自然な解釈ともいわれるが、そのために、観測者を含む、無数の世界が、「無駄」に作り出されているともいえるのだ。

「量子力学」を中心にして、宇宙のすべてが、つまり、すべての物質も、意識をもった観測者も、「回っている」かのような印象である。先に、2つの方向の後者の多くは、「「波束の収縮」という事態を、アクロバット的に回避する理論または解釈を、無理やり捻り出している」と言ったが、この解釈にも、それは当てはまる。

私も、「パラレルワールド」自体は、存在し得るものと思っている。が、それにしても、量子レベルの観測の可能性の数だけ、観測者を含めた世界が存在し、互いに交渉することもなく、無意味に共存しているというのは、あまりに不可解である。「ノイマン-ウィグナー理論」においても、意識において、一々量子の状態を収縮させるというのは、納得し難いと言ったが、「多世界解釈」なるものは、それを回避するために、それ以上に納得し難いものを生み出していると思う。

そういうわけで、こうみてくると、それぞれの解釈は、それぞれもっともらしく、そうであってもおかしくはないと思わせるものはあるが、同時に、それぞれに疑問や納得し難い面も多く、決定的にこれだというものはないのである。ここでは、基本的な3つの解釈しかあげなかったが、他の多くの解釈にも、同じようなことがいえると思う。

そうすると、量子力学は、「実用的にのみ使えればそれでよい」という、狭義の「コペンハーゲン解釈」こそが、むしろ正しかったのか、などとも思わせる。

しかし、これは実際には、「量子力学」が、観測される現象としての、物質を記述したり、予測したりする分には十分のものを備えているが、観測という行為そのもの、あるいは意識との関わりということまで含めれば、不完全な理論であることを示しているのだと私は思う。「波束の収縮」という事態は、ともあれ、「量子力学」の「限界」または「不完全性」を示しているというのが、最も自然な解釈ではないか、ということである。

次回は、さらに、「意識」との関係という点から、踏み込んで考察してみたい。

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