【世界のパラドックス】シュレーディンガーの猫 ─ 箱の中の猫は生きていて同時に死んでいる

当サイトを閲覧いただきありがとうございます。 本記事は「シュレーディンガーの猫」について解説します。

おそらく世界で最も有名な物理学のパラドックスでしょう。箱の中に閉じ込められた猫は、箱を開けるまで「生きている状態」と「死んでいる状態」が同時に存在している。量子力学はそう主張します。しかし常識的に考えて、猫が生きながら死んでいるなんてことがあるのでしょうか？

思考実験の設定

1935年にオーストリアの物理学者エルヴィン・シュレーディンガーが考案した思考実験です。

密閉された箱の中に以下のものを入れます。

• 1匹の猫
• 放射性物質（1時間以内に50%の確率で崩壊する）
• ガイガーカウンター（放射線検出器）
• 毒ガス装置（ガイガーカウンターが反応すると毒ガスを放出）

1時間後、放射性物質が崩壊していれば毒ガスが出て猫は死に、崩壊していなければ猫は生きているように思います。

問題は、「箱を開ける前の猫の状態は何か？」です。

量子力学はこう言う

量子力学の標準的な解釈（コペンハーゲン解釈）によると、放射性物質の原子は観測されるまで「崩壊した状態」と「崩壊していない状態」の重ね合わせにあります。

原子が重ね合わせ状態なら、それに連動する毒ガス装置も「作動した状態と作動していない状態の重ね合わせ」になり、猫も「死んでいる状態と生きている状態の重ね合わせ」になるはずです。

箱を開けて観測した瞬間に重ね合わせが「崩壊」して、猫は生死のどちらか一方に確定する。量子力学の理論に忠実に従えば、こういう結論になります。

シュレーディンガーの意図

ここで重要なのは、シュレーディンガーがこの思考実験を量子力学を「批判」するために考えたということなのだと思います。

シュレーディンガーは「量子力学の解釈をそのまま日常世界に適用すると、猫が生きながら死んでいるというバカバカしい結論になる。これは量子力学の解釈に問題があることの証拠だ」と主張したかったのです。

結局のところ、このパラドックスは量子力学の正しさを示すものではなく、むしろ「重ね合わせ状態」の解釈に問題があることを訴えるための反証だったということですね。

観測問題

シュレーディンガーの猫が突きつけている根本的な問題は、「ミクロの量子的な世界」と「マクロの日常的な世界」の間にどこで境界線があるのかということかと思います。

原子1個は重ね合わせ状態になれる。これは実験で確認されています。では分子は？ ウイルスは？ 細菌は？ 猫は？ 人間は？

どこかに「量子の世界」と「古典の世界」の境目があるはずですが、その境界がどこにあるのかは今でも明確に分かっていません。これを「量子古典対応」や「観測問題」と呼び、物理学の最も深い未解決問題の一つです。

様々な解釈

シュレーディンガーの猫に対して、物理学者たちはいくつかの解釈を提案しています。

コペンハーゲン解釈では、観測が行われた瞬間に重ね合わせが崩壊するとしますが、「観測とは何か」が曖昧なままです。

多世界解釈（エヴェレット解釈）では、箱を開けた瞬間に世界が分岐し、「猫が生きている世界」と「猫が死んでいる世界」が両方存在するとします。重ね合わせは崩壊せず、観測者自身が重ね合わせの一部になるという考え方です。

デコヒーレンス理論では、マクロな物体は周囲の環境と常に相互作用しているため、重ね合わせ状態が極めて短時間で失われる（デコヒーレンスする）と説明します。猫のような大きな物体では、重ね合わせ状態は事実上存在できないというのだと思います。これは現在最も広く受け入れられている説明の一つですが、根本的な解決にはなっていないという指摘もあります。

文化的な影響

シュレーディンガーの猫は物理学の枠を超えて、文化的なアイコンになりました。アニメ、小説、映画、ゲームなど、あらゆるメディアで引用されています。

「確定するまで全ての可能性が共存している」というイメージは、物理学の正確な解釈からは離れていますが、哲学的なメタファーとしては非常に魅力的です。

なぜ猫は重ね合わせにならないのか

現代の物理学が出した実務的な答えが、「デコヒーレンス」と呼ばれる考え方です。

重ね合わせの状態は、外界から完全に孤立していないと保てません。周囲の空気分子、光子、熱の揺らぎ、そうしたものが対象に少しでも触れると、重ね合わせの情報は環境のほうへ逃げていきます。

・電子1個：真空中で孤立させれば重ね合わせを保てる ・大きな分子：低温・高真空なら実験室で重ね合わせを確認できる ・ウイルス程度の大きさ：研究が進行中の領域 ・猫：体温だけで無数の光子を放出しており、孤立は原理的に不可能

猫は自分自身が発する熱で、常に環境と情報をやりとりしています。重ね合わせが壊れるまでの時間は、計算上おそろしく短くなることが分かっています。

これは「重ね合わせが起きない」という意味ではありません。起きても、人間が観測する何桁も前の時間で消えてしまう、という話です。

デコヒーレンスは観測問題を解いたのか

ここは注意が必要なところです。デコヒーレンスはなぜ日常で重ね合わせを見ないのかは説明しますが、なぜ1つの結果が選ばれるのかは説明しません。

環境と絡み合った結果、生きた猫と死んだ猫は互いに干渉しなくなります。ただ、両方の可能性が消えたわけではなく、混ざらなくなっただけです。

そこから先、実際に観測されるのがどちらか1つになる理由については、解釈ごとに答えが違います。多世界解釈は「どちらも起きている」と答え、コペンハーゲン解釈は「観測で1つに決まる」と答えます。

なので、デコヒーレンスは問題の半分を実験的に片付けたものの、残り半分はいまも哲学的な議論の場に残っている、という状況です。

実験室では大きなものも重ね合わせている

シュレーディンガーの時代には想像もできなかったことですが、現在は「猫状態」と呼ばれる巨視的な重ね合わせが実際に作られています。

2000年前後から、超伝導回路に流れる電流が時計回りと反時計回りの重ね合わせになる実験が報告されました。回路は目に見える大きさで、電流には数十億個の電子が関わっています。

分子の干渉実験も進んでおり、原子2000個ほどの巨大分子で二重スリット実験が成功したという報告もあります。

猫はまだ遠いものの、境界線は年々押し上げられているという状況です。どこまで大きくできるかは、いまも実験物理学の主要な課題のひとつになっているのだと思います。

解釈ごとに猫はどうなるのか

主な解釈が、この猫をどう扱うのかを並べてみます。

個人的に面白いと思うのは、どの解釈も実験結果の予測はまったく同じだというあたりです。計算する式が変わるわけではないので、実験で区別できません。

例外は4つめの客観的収縮理論で、これは通常の量子力学と少しだけ違う予測をしますので、実験で検証しようという試みが実際に進められています。

ただ、いまのところ差は検出されていません。

シュレーディンガー自身は納得していなかった

この思考実験を、量子力学の不思議さを称える話として紹介するのは、本人の意図とはだいぶ違います。

シュレーディンガーは、コペンハーゲン解釈の考え方をそのまま大きなものに当てはめると「ばかげた結論」になると示したかったということになります。1935年の論文でも、猫の例は批判の文脈で登場します。

同じ年、アインシュタインもEPR論文を発表しています。2人は手紙をやりとりしており、量子力学の完全性への疑問を共有していました。

量子力学を作った側の人物たちが、その解釈にもっとも強く抵抗したという構図です。

シュレーディンガーは波動方程式で1933年にノーベル賞を受けていますが、自分の式が何を意味するのかについては、最後まで納得していなかったと言われています。

量子力学の関連パラドックス

シュレーディンガーの猫と同じく量子力学の観測問題や量子もつれを扱う関連パラドックスです。

まとめ

本記事は「シュレーディンガーの猫」について解説しました。如何だったでしょうか。

量子力学という人類最高レベルの精密な理論が、日常世界に適用すると猫が生きながら死んでいるという奇怪な結論を導く。このパラドックスは、私たちがまだ自然界の根本的な仕組みを完全には理解できていないことを教えてくれます。

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