量子力学の不思議！シュレディンガーの猫とウィグナーの友について

はい、colorful beansです。
今回の記事は量子力学の不思議な思考実験について学んでいこうと思います。

その中で２つの思考実験より、シュレディンガーの猫とウィグナーの友人は、物理学の思考実験と哲学的なアイディアに関連する概念です。以下にそれぞれの概念についての概要を説明します。

シュレディンガーの猫
- シュレディンガーの猫は、オーストリアの物理学者エルヴィン・シュレディンガーが1935年に提案した思考実験です。
- この実験の目的は、量子力学の奇妙な性質に対する批判を示すことでした。
- 実験の設定は、鉛筆大の放射性物質がある密封された箱の中に入れられ、放射性崩壊によって毒ガスが放出される装置と猫が入っていると仮定します。
- 量子力学の原理に従えば、放射性崩壊が確率的であるため、放射性物質の崩壊が確定する前は、猫は生きていると死んでいるの両方の状態にあるとされます。
- この実験は観察が行われるまで、猫が生死の状態を同時に持つ「重ね合わせ状態」にあるという奇妙な結論を導くもので、量子力学の解釈問題を浮き彫りにしました。
ウィグナーの友人
- ウィグナーの友人とは、量子力学の観測問題に関する思考実験「シュレーディンガーの猫」のユージン・ポール・ウィグナーによる拡張版であり、量子力学における観測問題を示すために提唱されました。
- この実験は、量子力学における観測者効果と主観性についての哲学的な問題を浮き彫りにします。
- ウィグナーの友人の設定は、ウィグナーが友人が実験を行っていると仮定し、その友人が密閉された実験室で量子状態を観測している状況を考えます。
- この実験は、友人の観測が行われる瞬間に、友人自身と観測されている量子系がどのように相互作用し、状態が崩壊するのかという問題を提起します。
- ウィグナーの友人実験は、観測の主観性と観測が外部の世界にどのように影響を及ぼすのかについての深い哲学的な議論を促しました。

これらの思考実験は、量子力学の解釈における問題やパラドックスを強調し、科学哲学の重要な議論の一部となっています。どちらも量子力学の奇妙な性質に対する理解を深め、物理学と哲学の境界で興味深い問題を提供しています。

ここからは、それぞれの思考実験についてより詳しく、読み応えのあるブログにできればとおもいます。

シュレディンガーの秘密の実験（空想の物語）
重ね合わせ状態
ウィグナーの友人の哲学的冒険（空想の物語）
その他の思考実験
デコヒーレンス効果
後書き

シュレディンガーの秘密の実験（空想の物語）

主人公の名前はトム。

トムは物理学についてはあまり詳しくないが、ある日友達からシュレディンガーの猫という奇妙な物理学の概念について聞いた。彼は興味津々で友達の説明を聞き始めた。

「トム、シュレディンガーの猫はこんなことなんだ。ある猫が箱の中に入れられていて、その箱の中には毒ガスを放出する装置と、放射性物質が入っている。この放射性物質は確率的に崩壊する。もし崩壊すれば、ガスが放出されて猫は死ぬ。崩壊しなければ、猫は生きている。」

トムは戸惑った。「つまり、猫は生死の状態が同時に存在するってこと？」

友達はうなずいた。「そうだ。しかし、問題は観測が行われる瞬間に、猫は生死のどちらかに確定するんだ。この状態を我々は『重ね合わせ状態』と呼びます。つまり、猫は生きているか死んでいるかが確定するまで、生死のどちらにも同時に存在しているのです。」

トムは考え込んだ。「非常に不思議な考え方だね。」

友達は更に説明を続ける。

「この実験は、量子力学の奇妙な性質を強調するもので、観測者の存在が物事の結果にどのように影響を与えるのかを考える上で非常に重要なんだ。」

トムはまだ納得できなかったが、この奇妙なアイデアが頭から離れなかった。数日後、彼は物理学の基礎から学び始めるための本を手に入れた。そして、次第に量子力学とシュレディンガーの猫に対する理解が深まっていった。

ある日、トムは友達に再び会った。「なんと、シュレディンガーの猫は観測者の視点に依存することが分かったんだ。観測者が箱の中を見ることで、猫の状態が確定するんだ。」

友達はにっこり笑って言った。「そうだ、トム。物理学の世界はとても不思議で、我々の視点が現実を作り出すことがあるんだ。」

トムは感心して友達に感謝した。彼は物理学の複雑な世界に少しだけ窓を開けた気がした。そして、シュレディンガーの猫という不思議な概念から、科学の奥深さと哲学的な問題に対する興味が芽生えたのであった。

何度何度も読み返すことで何となくその概念や哲学が分かってくるような、分からないような微妙な感覚にも陥る気がしますｗ

非常に興味深い思考ですよね！

重ね合わせ状態

「重ね合わせ状態」は、量子力学における重要な概念であり、シュレディンガーの猫の思考実験においても中心的な要素です。この概念は、量子物体（例えば、原子や電子など）が特定の状態にあるわけでもなく、ある特定の状態でもない、何らかの状態の組み合わせにあるときに使用されます。

具体的には、シュレディンガーの猫の例で説明すると、猫は「生きている状態」と「死んでいる状態」のどちらにも同時に存在しているとされる状態が「重ね合わせ状態」です。これは、量子物体が特定の状態にあるわけではなく、観測されるまで複数の状態が同時に存在しているという現象です。

「重ね合わせ状態」は、観測が行われると、量子物体は確定的な状態に収束し、複数の状態から一つの状態が選択されます。この過程を「崩壊」と呼び、観測が行われることで量子物体の状態が確定します。これを観測者効果と呼びます。

「重ね合わせ状態」は量子力学の奇妙な性質の一つであり、物体が微視的なスケールで振る舞う際に現れます。この概念は古典的な物理学では説明できない現象であり、量子力学の独自の特徴です。量子コンピュータや量子暗号通信などの技術にも関連しており、未来の科学とテクノロジーにおいて重要な役割を果たしています。

ウィグナーの友人の哲学的冒険（空想の物語）

物語の主人公はリサ。

リサは哲学に興味津々で、友人のジョンからウィグナーの友人という奇妙な哲学的思考実験を聞かされることになりました。

ある日、カフェでジョンは熱心にリサに語りかけました。「リサ、ウィグナーの友人という哲学的なパラドックスがあるんだ。」

リサは興味津々で尋ねました。「それは何？」

ジョンはテーブルの上に紙と鉛筆を取り出し、図を描き始めました。そして、彼は説明を始めました。

「リサ、想像してごらん。私の友人アリスが密室に入って、量子物体の実験を行っているとしましょう。」

リサは興味津々で聞き入っていました。「それで、何が起こるの？」

ジョンは微笑みながら続けました。「アリスの観測が行われる前、彼女はその実験の結果を知らない。それは、量子物体が重ね合わせ状態にあるためです。」

リサは首をかしげました。「重ね合わせ状態って何？」

ジョンは説明を始めました。「量子物体は、特定の状態にあるわけでもなく、複数の可能性の状態が同時に存在することがあります。つまり、アリスの実験が行われる前、それが何の状態にあるかはわからないのです。」

リサは納得してうなずきました。「なるほど、それで？」

ジョンは物語を進めました。「ここが面白いところなんです。ウィグナーの友人というのは、私たちが外部から観測する場合、アリスの観測の瞬間に量子物体の状態が確定するというアイデアなんです。」

リサは不思議そうに尋ねました。「でも、アリスは中にいて観測しているんでしょう？」

ジョンはにっこり笑いました。「そうです。アリスは実験室の中で観測をしています。しかし、問題は、私たちがアリスの実験の結果を知る前、アリスとその量子物体が『外部の観測者』によって同時に『重ね合わせ状態』にあるという点なんです。」

リサは興奮して言いました。「つまり、私たちがアリスの実験結果を知るまで、それは生も死も、状態も非状態も含めて何でもあり得るってこと？」

ジョンはうなずきました。「そう、それがウィグナーの友人の奇妙な部分なんです。アリスが観測を行う瞬間、外部の観測者、つまり私たちがアリスとその量子物体に干渉することで、彼らの状態が確定するんです。」

リサは考え込んでいました。「これは、観測者が量子世界にどのように影響を与えるのかについての深刻な哲学的問題を示しているわね。」

ジョンはにっこり笑って言いました。「そうです。ウィグナーの友人の実験は、観測と現実の関係についての深い哲学的問題を浮き彫りにし、我々の理解に挑戦しているんです。」

リサは哲学的な冒険に没頭しました。ウィグナーの友人のパラドックスは、量子力学の複雑さと哲学的な深さを共に楽しむ素晴らしい出発点でした。

「ウィグナーの友人」とは、量子力学の観測問題に関する思考実験「シュレーディンガーの猫」のユージン・ポール・ウィグナーによる拡張版であり、量子力学における観測問題を示すために提唱されました。
この例は、量子力学の理想的または主観的な解釈、またはそのようなものに関するその後の推測を示しているオリジナルの「ウィグナーの友人」の思考実験では、デコヒーレンス効果が考慮されていないため、ウィグナーの主張は1970年代に放棄され、ウィグナーの形式そのままのものは、今日の科学的および哲学的言説では時代遅れと見なされています。ただし、さらに発展させたバージョンの思考実験も公表されています。