●シュレーディンガーの猫と観測問題

 これから量子世界の観測・測定について語るのであるが、その核心は測定による「波動関数の収縮」にある。したがって、量子力学における観測理論の第一目標が「波動関数の収縮」を与えるメカニズムの解明にあることはいうまでもない。その目標に向かって、今までに数多くの観測理論が提案されてきた。いずれも、提案者の物理的および哲学的立場や時代背景を反映しており、それらを歴史的回顧とともに眺めてゆくことは楽しい作業である。しかし、あまりにも多様な発想の理論があるため、量子世界の観測・測定の話をそこから始めると、読者を無用の混乱に導く恐れがある。ここでは、まず私自身の観測理論に基づいて首尾一貫した筋道の物語を作り、それによって「波動関数の収縮」のメカニズムを解明しようと思う。  

(シュレーディンガーの猫)
 本題に入る前の前座として、シュレーディンガーの猫という話をしよう。これは観測問題を語る際、必ずといってよいほど登場する有名な話である。見かけのおもしろさで興味をさそうばかりでなく、観測問題の本質を極端な形で見事にえぐり出したパラドックスだ。読者の皆さんは、これで、量子力学における観測・測定がなぜ六十年以上にわたる激しい論争を呼んだほどの大問題なのか、その理由の一端を知ることができよう。知的遊戯として見ても面白い。

 上の図を見ていただきたい。左の箱には、ごくわずかの放射性同位元素とその崩壊によって出る放射線を捕捉して信号を出す検出器(たとえば、カウンター)が入っている。右の箱には、その検出器からの信号電流を受けて毒ガス容器を打ちこわして毒ガスを放出する装置と猫を入れる。放射性同位元素のどれか一つの原子核が崩壊する現象を、この装置で観測しようというのだ。
 簡単のため、放射性同位元素(の原子核)には、基底状態(エネルギーの最低の状態)の他に励起状態(高いエネルギーの状態)状態が一つしかないとしよう。放射性同位元素が励起状態にあれば、放射線は出ず、検出器からの電流はなく、毒ガスは放出されず、猫は生きたままでいる。放射性同位元素が崩壊して基底状態に遷移すれば、崩壊の際の放射線を検出器が捉えて信号電流を出し、毒ガス容器をこわし、毒ガスを放出して猫を殺す。したがって、放射性同位元素の励起状態と基底状態とは猫の「生」と「死」に正確に対応している。私たちは箱の窓を開けて”覗き込み”、生きている猫を見れば放射性同位元素が励起状態にあること知る。死んでいる猫を見れば、基底状態にあることがわかる。まさに「シュレーディンガーの猫」は放射性同位元素の状態を見るための”測定器”である。
 この測定過程は、放射性同位元素の崩壊、検出器による放射線の捕捉と信号電流の発生、猫の生死、観測者の覗き込み、という段階から構成されている。さらに、観測者の眼底で猫の像が視神経を刺激して信号を発生する過程、視神経がその信号を脳細胞へ伝達する過程・・・と続く。すなわち、厳密にいうと、一つの観測・測定行為には  

  観測対象のミクロ系→[検出器→猫]→観測者の眼底視神経→神経系→脳細胞→・・・  

という”観測の連鎖”がある。[ ]のところが「シュレーディンガーの猫」という測定器である。
 常識的に見れば、量子世界の観測・測定、すなわち、放射性同位元素の状態測定は検出器のところで終わっている。猫はその生と死によって、放射性同位元素が励起状態にあるか基底状態にあるかを記録するだけの記憶装置であり、マクロ的情報器械に過ぎない。事実、猫は極めて多数の構成要素からなるマクロ系であり、生きている状態とか死んでいる状態とかいっても、それはミクロ系の量子力学的状態とは区別して考えるべきものだろう。また、観測者が猫の生死を知る”覗き込み”は単なる情報の取り出しであって、放射性同位元素の状態測定そのものではない。たとえ視神経などのところで別の量子力学的物理過程があったとしても、猫以降のプロセスは、放射性同位元素の状態測定結果に本質的影響を与えるものではない。単に検出器の測定結果を伝達するマクロ情報器械の連鎖なのである。放射性同位元素の状態測定に関しては、観測対象側と観測者側を分ける切断点は検出器のところにあるわけだ。これが”常識”だが、この”常識”はミクロ系とマクロ系を区別した上でのものである。
 これに対して、ミクロ系とマクロ系の相違をいっさい認めないという立場がある。これはノイマン(John Ludwig von Neumann 1903-1957:ノイマン型コンピュータの考案者として知られる)とウィグナー(E. Wigner 1902-)の理論の立場だ。測定器や観測者も構成要素に分解すれば、すべてミクロ粒子の集団になり、量子力学の対象だというのがその理由である。これは一応もっともだ。
 ミクロ系とマクロ系を認めなければ、まず”観測の連鎖”を観測対象側と観測者側とに分ける切断点は上下どちらにでも自由に移動できる。検出器上などに特定される理由はないわけだ。さらに、彼らは量子力学を、とくにその核心である「重ね合わせの原理」を、厳密に適用すべきだと強硬に主張する。これもミクロ系とマクロ系の区別を拒否するところから出てくる。あとで詳しく議論するように、「重ね合わせの原理」に固執するかぎり、量子力学的測定の完成を意味する「波動関数の収縮」は実現しない。したがって、”観測の連鎖”がどこまで続こうと、観測者側を分ける切断点をどこにもっていこうと、物理過程としての量子力学的測定は完成しない。結局、彼らは”観測の連鎖”の終端に”抽象的自我”とか”意識”を導入し、主体的観測者の「自我」が測ったと意識したときに、波動関数が「収縮」して測定が観測するといったのである。これにはちょっと驚く。形而上学的第三者の導入だ。ここにも不動の自然に対する人間の主体性復活という思潮が見える。
 当然のことながら、ノイマン-ウィグナーの観測理論は激しい反論を呼んだ。「シュレーディンガーの猫」は、シュレーディンガーが彼らの観測理論に対する批判として提出したパラドックスなのである。
 シュレーディンガーの論点をはっきりさせるため、観測対象側と観測者側を分ける切断点を”覗き”のところにおこう。すなわち、”覗き”を量子力学的測定として扱うのである。直接量子力学の対象になる猫は、観測者がまだその生死を知らない”覗き”前の状態では、量子力学的には生状態と死状態の重ね合わせ状態にあるはずだ(重ね合わせの原理)。生状態と死状態は二つの排他的な状態である。これも先取りだが”素朴コペンハーゲン解釈”にしたがえば、重ね合わせ状態にある系は測定による「波動関数の収縮」によって初めてどちらか一方の状態に変わる。結局、猫は”覗き”前は生死不明の重ね合わせ状態にあり、”覗き”によって初めて生か死が決まるという結論が生まれる。”覗き”という人間の恣意的な行為が猫の生死を決めてしまうのだ! こんなバカな話はない。覗こうと覗くまいと、猫は生きているか死んでいるか、どちらか一方の状態になっているはずではないか! これがシュレーディンガーのいいたかったことだ。
 こんな話をすると、物理学者たちは何と”常識”はずれなバカバカしい議論をしているのだろうと、読者はあきれるに違いない。しかし、量子世界ではまさにその”常識”が問われているのである。今ここでは、ミクロ系とマクロ系の間に本質的な相違があるかどうかを問題としている。この問題意識は”常識”の境界を越えたところにあるのだ。また、私たちはすでに量子力学的測定がマクロ系である測定器の関与なしでは語れないことを知っている。観測問題の核心はこのようなミクロとマクロの絡み合いにある。後出の言葉を使ってはっきりいえば、観測問題は量子力学の枠内で測定による「波動関数の収縮」を説明することを要求する。ウィグナーの主張は、現在の量子力学の理論体系を扱う限り、それは不可能だというのである。
 ことは重大である。たとえ賛成できなくても、ミクロ系とマクロ系の原理的区別を拒否し、測定過程におけるマクロ測定器の関与の本質に、”抽象的自我”や”意識”を持ち込まざるを得なかったノイマン-ウィグナー理論の問題意識はそう簡単には無視できないだろう。問題はそれほどむずかしいのだ。本書では、私たちはそれを測定器の関与による波動関数分波間の位相相関の喪失として解決しようと考えている。
 いずれにしても、ミクロ系とマクロ系の峻別や完全同一視はあまりにも単純な理想化であり、単なる観念的遊技に過ぎない。現在、物理学はミクロ(スコピック)でもなくマクロ(スコピック)でもない両者の中間にあるメソスコピックという現象を現実に見つけつつある。ミクロとマクロの間には、はっきりした境界はない。私たちは、これから、この種の問題までを視野にいれながら、測定過程の物理に即して観測問題の核心に踏み込んでゆこうというのである。(量子力学入門 並木美喜雄 岩波新書より)  

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