多世界解釈

エヴェレットは1957年の博士論文で、孤立した量子系の解析に外部観測に頼るのではなく、ポール・ディラック、ジョン・フォン・ノイマンらが開発した数学的枠組みの中で、対象物とその観測者を純粋に物理的なシステムとして数学的にモデル化し、波動関数の崩壊という場当たり的なメカニズムを完全に排除できると提唱した。^{[ 4 ] [ 1 ]}

エヴェレットの独創的な研究は、相対状態という概念を導入した。2つ（またはそれ以上）のサブシステムは、一般的な相互作用の後、相関関係、あるいは現在ではエンタングル状態と呼ばれる状態になる。エヴェレットは、このようなエンタングル状態にあるシステムは、2つ以上のサブシステムがそれぞれ互いに対して相対的な状態にある状態の積の和として表現できることを指摘した。測定または観測の後、ペア（またはトリプルなど）の一方は測定対象または観測対象システムであり、もう一方のメンバーは測定対象システムの状態を記録した測定装置（観測者を含む場合もある）である。全体的な重ね合わせにおけるサブシステム状態の各積は、他の積とは独立して時間とともに変化する。サブシステムが相互作用すると、それらの状態は相関関係またはエンタングル状態になり、もはや独立しているとは考えられなくなる。エヴェレットの用語では、各サブシステムは相互作用した他のサブシステムに対して相対的に考えなければならないため、各サブシステムの状態は相対状態と相関関係にあることになる。

シュレーディンガーの猫の例では、箱が開けられた後、もつれ合った系は猫、毒の入った小瓶、そして観察者です。ある相対的な状態の三つ組は、生きている猫、割れていない小瓶、そして生きている猫を見ている観察者です。別の相対的な状態の三つ組は、死んだ猫、割れた小瓶、そして死んだ猫を見ている観察者です。

連続変数（例えば位置q ）の測定の例では、対象-観測者システムは相対状態のペアの連続体に分解されます。対象システムの相対状態は、qの特定の値を中心とするディラックのデルタ関数となり、対応する観測者の相対状態は、 qの値を記録した観測者を表します。^{[ 4 ]： 57-64}相対状態のペアの状態は、測定後に互いに相関します。

エヴェレットの理論では、崩壊は起こらず、シュレーディンガー方程式、あるいはその量子場理論における相対論的類似式が、常にどこでも成り立つ。観測や測定は、観測対象と観測者からなる系全体に波動方程式を適用することでモデル化される。その結果、あらゆる観測によって、観測者と対象を合わせた波動関数が、相互作用しない2つ以上の枝の量子重ね合わせ状態に変化する。

このように、測定や観測、あるいは相関を誘発するあらゆる相互作用の過程は、システムを相対状態の集合に分割する。そして、普遍的な波動関数の分岐を形成する各相対状態の集合は、それ自体の中で一貫性を持ち、将来のすべての測定（複数の観測者による測定を含む）はこの一貫性を確認することになる。

エヴェレットは、観察者と対象が結合したシステムを、観察によって分割されたものと表現し、それぞれの分割は、観察の異なる、あるいは複数の可能な結果に対応するとしました。これらの分割によって分岐木が生成され、各枝は互いに関連するすべての状態の集合となります。ブライス・デウィットは、エヴェレットの研究を「多世界解釈」と呼んだ一連の出版物で普及させました。デウィットは、分割プロセスに焦点を当て、その木の単一の枝、つまり一貫した履歴を表す「世界」という用語を導入しました。どの枝内の観察や測定も、それ自体で一貫しています。^{[ 4 ] [ 1 ]}

観測に似た出来事が数多く発生しており、現在も絶えず発生していることから、エベレットのモデルは、同時に存在する状態または「世界」が膨大かつ増加していることを示唆している。^{[ b ]}

MWIは、波動関数の崩壊を量子デコヒーレンスの確立されたメカニズムに置き換えることで、量子測定プロセスにおける観測者依存の役割を取り除きます。^{[ 22 ]}観測者の役割は、 EPRパラドックスやフォン・ノイマンの「境界問題」などのすべての「量子パラドックス」の中心にあるため、これはそれらの解決へのより明確で容易なアプローチを提供します。^{[ 5 ]}

コペンハーゲン解釈は量子力学で記述される領域を超えた古典領域の存在を必要とするため、宇宙論の研究には不十分であると批判されてきた。^{[ 23 ]}エヴェレットが宇宙論の問題に触発されたという証拠はないが、^{[ 14 ] : 7}彼は量子力学を宇宙全体に適用できるようにすることを明確に目標として理論を発展させ、新しい現象の発見を刺激することを期待していた。^{[ 5 ]}この期待は後の量子宇宙論の発展で実現した。^{[ 24 ]}

MWIは、実在論的で決定論的かつ動的に局所的な理論である。これは、量子論の決定論的で局所的な方程式から、非決定論的で非局所的な波動関数の崩壊を取り除くことによって実現される。^{[ 3 ]}

MWI（他のより広範なマルチバース理論と同様に）は、微調整された宇宙の説明を提供する可能性のある人間原理の文脈を提供する。^{[ 25 ] [ 26 ]}

MWIは、重ね合わせの原理の根底にある量子力学の線形性に決定的に依存している。万物の最終的な理論が波動関数に関して非線形である場合、多世界解釈は無効となる。^{[ 6 ] [ 1 ] [ 5 ] [ 7 ] [ 8 ]}すべての量子場理論は線形であり、MWIと互換性がある。この点は、エヴェレットがMWIの動機として強調した点である。^{[ 5 ]}量子重力や弦理論はこの点において非線形である可能性があるが、^{[ 27 ]}今のところその証拠はない。^{[ 28 ] [ 29 ]}

ワインガルテン^{[ 30 ]}とテイラー＆マカロック^{[ 31 ]}は、量子回路の複雑さの観点から波動関数の分岐を定義する方法について、それぞれ別の提案を行っている。

量子力学の他の解釈と同様に、多世界解釈も二重スリット実験で説明できるような振る舞いに動機づけられている。光（あるいは他の何か）の粒子が二重スリットを通過する際、光の波動性を仮定した計算によって、粒子が観測される可能性のある場所を特定することができる。しかし、この実験で粒子が観測されると、それらは非局在の波ではなく、粒子（つまり、特定の場所）として現れる。

量子力学のコペンハーゲン解釈のいくつかのバージョンでは、不確定な量子システムが確率的に一つの確定的な結果に崩壊または選択され、この観測現象を「説明」するという「崩壊」のプロセスが提案されました。波動関数の崩壊は広く人為的で場当たり的であると見なされていたため、^{[ 32 ]}測定の振る舞いがより基本的な物理原理から理解できる代替解釈が望ましいと考えられました。

エヴェレットの博士論文は、そのような解釈を提供した。彼は、対象（粒子などの「観測者」または測定装置）を観測する主体のような複合システムの場合、観測者または観測対象のいずれかが明確な状態を持つという主張は無意味であると主張した。現代の言葉で言えば、観測者と観測対象は絡み合っており、一方の状態を他方に対して相対的に指定することしかできない、つまり、観測が行われた後、観測者と観測対象の状態は相関している。このことから、エヴェレットは、ユニタリで決定論的なダイナミクスのみから（つまり、波動関数の収縮を仮定せずに）、状態の相対性という概念を導き出した。

エヴェレットは、統一的で決定論的なダイナミクスだけでも、観測が行われた後、結合された主観と客観の波動関数の量子重ね合わせの各要素が、2 つの「相対状態」、すなわち「崩壊した」客観状態と、同じ崩壊結果を観測した関連する観測者を含むことを意味していることに気づいた。観測者が見るものと客観状態は、測定または観測の行為によって相関している。相対的な主観と客観状態のペアのその後の進化は、他の要素の存在または不在に全く無関心で進行し、あたかも波動関数の崩壊が起こったかのようである^{[ 1 ]： 67、78 。}その結果、後の観測は常に以前の観測と一致する。このように、客観の波動関数の崩壊の出現は、統一的で決定論的な理論自体から生じたのである。 （これは、アインシュタインが量子論に対して初期に抱いていた批判、すなわち、理論は観測されるものを定義すべきであり、観測量が理論を定義するべきではないという批判に対する回答となった。）^{[ c ]}波動関数が崩壊したように見えることから、エヴェレットは、実際に崩壊したと仮定する必要はないと推論した。そして、オッカムの剃刀を援用して、彼は波動関数の崩壊という仮定を理論から削除した。^{[ 1 ]： 8}

1985年、デイヴィッド・ドイッチュは、多世界解釈とコペンハーゲン解釈の対比を検証するために、ウィグナーの友人の思考実験の変形を提案した。 ^{[ 34 ]}これは、実験者（ウィグナーの友人）が隔離された実験室で量子系を測定し、別の実験者（ウィグナー）が最初の実験者に対して測定を行うというものである。多世界理論によれば、最初の実験者は、測定結果の1つを1つのブランチで、もう1つの結果を別のブランチで見るという巨視的な重ね合わせ状態になる。2番目の実験者は、実際に巨視的な重ね合わせ状態にあるか、コペンハーゲン解釈で予測されるように単一のブランチに崩壊しているかを検証するために、これら2つのブランチに干渉することができる。それ以来、ロックウッド、ヴァイドマンらは同様の提案をしており、^{[ 35 ]}巨視的な対象をコヒーレントな重ね合わせ状態に置いて干渉する必要があるが、これは現在のところ実験能力を超えている。

DeWittとGraham ^{[ 1 ]}やFarhiら^{[ 41 ]}などは、確率の頻度論的解釈に基づいてBornルールの導出を提案している。彼らは、測定回数が非可算無限大の極限では、Bornルールで与えられる確率と一致しない相対頻度を持つ世界は存在しないことを示そうとしているが、これらの導出は数学的に誤りであることが示されている^{[ 42 ] [ 43 ] 。}

ボルン規則の決定理論による導出は、David Deutsch (1999) [ 44 ] によって行われ、Wallace [ 36 ^{] [ 45} ] [ 46 ] [ 47 ] と Saunders [ 48 ] [ 49 ] によって改良されました^{。彼らは、量子ギャンブルに参加するエージェントを考察します。エージェントは量子}システムで測定を行い、その結果として分岐し、エージェントの未来の各自己は測定結果に応じて報酬を受け取ります。エージェントは、このようなギャンブルに参加するために支払うであろう価格を評価するために決定理論を使用し、その価格はボルン規則に従って重み付けされた報酬の効用によって与えられると結論付けます。これらの議論は依然として非常に議論の的となっていますが、肯定的なレビューもいくつかあります。一部の理論物理学者は、これらを並行宇宙の主張を支持するものとして捉えています。^{[ 50 ]}例えば、2007年にエヴェレット解釈に関する会議について書かれたニュー・サイエンティストの記事^{[ 51 ]}では、物理学者のアンディ・アルブレヒトが「この研究は科学史における最も重要な発展の一つとして後世に残るだろう」と述べている。^{[ 50 ]}対照的に、同じく会議に出席していた哲学者のヒュー・プライスは、ドイッチュ、ウォレス、サンダースのアプローチは根本的に欠陥があると指摘した。^{[ 52 ]}

2005年に、Zurek ^{[ 53 ]}はエンタングル状態の対称性に基づいてボルン規則の導出を行った。Schlosshauer と Fine は、Zurek の導出は確率とは何かを定義しておらず、その振る舞い方についていくつかの暗黙の仮定があるため、厳密ではないと主張している。^{[ 54 ]}

2016年、チャールズ・セベンスとショーン・M・キャロルは、レフ・ヴァイドマンの研究^{[ 55 ]}に基づいて、自己位置特定不確実性に基づく同様のアプローチを提案した^{[ 56 ]} 。このアプローチでは、デコヒーレンスによって観測者の同一のコピーが複数作成され、観測者はボルン規則を使用して異なるブランチにいることに確信度を割り当てることができる。セベンスとキャロルのアプローチは、エイドリアン・ケント^{[ 57 ]}によって批判されており、ヴァイドマンも満足していない^{[ 58 ] 。}

2021年、サイモン・サンダースは、ボーンの規則の分岐計数による導出を発表した。このアプローチの重要な特徴は、すべての分岐が同じ大きさまたは2ノルムを持つように分岐を定義することである。このように定義された分岐の数の比率は、ボーンの規則に従って、測定のさまざまな結果の確率を与える。^{[ 59 ]}

MWI の長年の強力な支持者の 1 人はDavid Deutschです。^{[ 76 ]}彼によれば、二重スリット実験で観測される単一光子干渉パターンは、複数の宇宙における光子の干渉によって説明できます。このように考えると、単一光子干渉実験は多光子干渉実験と区別できません。より実用的な観点から、量子コンピューティングに関する初期の論文の 1 つで、^{[ 77 ]} Deutsch は、MWI から生じる並列処理が「特定の確率的タスクを、その古典的な制約よりもユニバーサル量子コンピュータによってより速く実行できる方法」につながる可能性があると示唆しました。彼はまた、可逆コンピュータがスピンの可逆的な観測によって意識を持つようになれば、MWI は（少なくとも「素朴な」コペンハーゲン主義に対して）検証可能になると提案しました。^{[ 78 ]}

科学哲学者のジェームズ・レイディマンとドン・ロスは、多世界解釈（MWI）は正しいかもしれないが、それを支持していないと述べている。彼らは、量子論は一般相対性理論との統一がないため、現実のすべてを経験的に記述するにはまだ不十分であり、したがって量子力学のいかなる解釈も形而上学の最終的な結論とみなす理由はないと指摘している。また、複数の分岐は不完全な記述と、巨視的物体の状態を表すために量子力学を使用していることによる人為的なものかもしれないと示唆している。彼らは、巨視的物体は環境から孤立していない点で微視的物体とは大きく異なり、それらを記述するために量子形式論を使用することは説明力と記述力と正確さに欠けると主張している。^{[ 79 ]}

一部の科学者は、複数の並行宇宙は互いに通信しない、つまりそれらの間で情報が伝達されないという意味で、MWIのいくつかの側面は反証不可能であり、したがって非科学的であると考えている。 ^{[ 80 ] [ 81 ]}

ビクター・J・ステンガーは、マレー・ゲルマンの発表した著作が同時並行宇宙の存在を明確に否定していると指摘した。 ^{[ 82 ]}ゲルマンはジェームズ・ハートルと協力し、エヴェレット以降のより「受け入れやすい」量子力学の開発に取り組んだ。ステンガーは、ほとんどの物理学者がMWIを極端すぎると考えていると言っても差し支えないが、「分析対象のシステム内に観測者の位置づけを見出し、波動関数の崩壊という厄介な概念を排除するという利点がある」と考えた。^{[ e ]}

ロジャー・ペンローズは、この考えは重力を考慮しない過度に単純化された量子力学に基づいているため欠陥があると主張している。彼の見解では、従来の量子力学を宇宙に適用すると多世界解釈が導かれるが、量子重力の理論が成功していないため、従来の量子力学の普遍性は否定される。^{[ 27 ]}ペンローズによれば、「重力が関係する場合、ルールは変更されなければならない」。彼はさらに、重力は現実を固定するのに役立ち、「ぼやけた」事象には許容される結果が1つしかないと主張する。「電子、原子、分子などは非常に小さいため、重力を維持するためにほとんどエネルギーを必要とせず、したがって重なり合う状態も維持される。標準量子論で説明されているように、それらはその状態に永遠にとどまることができる」。一方、「大きな物体の場合、これらの物体が大きな重力場を作り出すため、重複した状態は瞬時に消滅する」。^{[ 83 ] [ 84 ]}

科学哲学者のロバート・P・クリースは、MWIは「科学史において最もあり得ない、非現実的な考えの一つ」だと述べている。なぜなら、MWIは考えられるあらゆることが起こることを意味するからである。^{[ 83 ]}科学ライターのフィリップ・ボールは、MWIの含意を空想と呼んでいる。なぜなら、「科学方程式や記号論理の装いの下には、それらは想像の行為、つまり『ただ仮定する』行為だからである」からである。^{[ 83 ]}

理論物理学者のジェラルド・ト・フーフトもこの考えを否定している。「私は、多世界解釈を受け入れなければならないとは考えていません。実際、それは膨大な数の並行世界が存在することになり、物理学者がどれが現実なのかを決定できなかったために存在しているだけです。」^{[ 85 ]}

アッシャー・ペレスは多世界解釈の率直な批判者であった。彼の1993年の教科書の一節は「エヴェレットの解釈とその他の奇妙な理論」というタイトルだった。ペレスは、さまざまな多世界解釈は崩壊仮説の恣意性や曖昧さを「世界」がいつ分離しているとみなせるかという問題に移すだけであり、その分離のための客観的な基準は実際には定式化できないと主張した。^{[ 86 ]}

1991年以前にL.デイビッド・ラウブが行った「主要な量子宇宙論者およびその他の量子場理論家」72人を対象とした世論調査では、「はい、MWIは正しいと思います」という意見に58%が同意した。^{[ 87 ]}

マックス・テグマークは、1997年の量子力学ワークショップで行われた「非常に非科学的な」アンケートの結果を報告している。テグマークによれば、「多世界解釈（MWI）は、一貫した歴史やボーム解釈を大きく上回り、2位を獲得した」。^{[ 88 ]}

ショーン・M・キャロルの「信じられないかもしれないが、現役の物理学者のほとんどが多世界解釈を信じている」^{[ 89 ]} という発言に対し、マイケル・ニールセンは次のように反論している。「1998年にケンブリッジで開催された量子コンピューティング会議で、多世界解釈の提唱者が約200人の聴衆にアンケート調査を行ったところ 、多世界解釈はコペンハーゲン解釈やデコヒーレンスと同等、あるいはやや劣る支持を得た。しかしニールセンは、出席者のほとんどが時間の無駄だと感じたようだと指摘している。ペレスは「アンケート調査の最後に立ち上がり、『物理法則は民主的な投票によって決定されると信じている人はいますか？』と尋ねたところ、大きな拍手が鳴り響いた」^{[ 90 ]}。

2005年にウォータールー大学量子コンピューティング研究所で量子力学の解釈に関するコースを受講した40人未満の学生と研究者を対象に行われたアンケート調査では、「多世界解釈（およびデコヒーレンス）」が最も不評だった。^{[ 91 ]}

2011年にオーストリアで開催された量子基盤に関する会議の参加者33名​​を対象に行った調査では、MWIを支持する人が6名、情報ベース/情報理論的を支持する人が8名、コペンハーゲンを支持する人が14名でした。^{[ 92 ]}著者らは、MWIがテグマークの1997年の調査と同様の割合の票を獲得したと述べています。^{[ 92 ]}