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量子力学において、シュレーディンガーの猫は量子重ね合わせに関する思考実験である。この思考実験では、閉じた箱の中にいる架空の猫は、観測されていない間、生きていると同時に死んでいると考えることができる。これは、その運命が、起こるかもしれないし起こらないかもしれないランダムな素粒子現象と結びついているためである。このように考えると、この実験はパラドックスとして説明される。この思考実験は、物理学者エルヴィン・シュレーディンガーが1935年にアルバート・アインシュタインとの議論の中で考案したもので、ニールス・ボーアとヴェルナー・ハイゼンベルクの量子力学に関する哲学的見解の問題点をシュレーディンガーが指摘した。[1] [ 2 ]
シュレーディンガーの原定式化では、猫、毒の入ったフラスコ、放射性物質が密閉された箱に入れられています。ガイガーカウンターなどの内部放射線モニターが放射能（単一の原子の崩壊）を検出すると、フラスコが割れて毒が放出され、猫は死にます。崩壊する原子がモニターを作動させなければ、猫は生き続けます。数学的には、箱の中身を表す波動関数は、これら2つの可能性の組み合わせ、つまり量子重ね合わせです。しかし、箱の中を覗くと、猫は生きているか死んでいるかのどちらかであり、生きている状態と死んでいる状態の両方を見ることはできません。これは、量子重ね合わせが正確にいつ終わり、現実がどちらか一方の可能性に収束するのかという疑問を提起します。
元々はボーアとハイゼンベルクへの批判であったシュレーディンガーの、一見矛盾しているように見える思考実験は、量子力学の基礎の一部となった。これは、量子力学の解釈に関する理論的議論、特に測定問題に関わる状況でしばしば取り上げられる。その結果、シュレーディンガーの猫は、大衆文化において根強い人気を博している。この実験は、実際に猫で行うことを目的としているのではなく、原子の振る舞いを分かりやすく示すための例として意図されている。原子スケールでの実験が行われ、非常に小さな物体が重ね合わせとして存在できることが示されているが、猫ほどの大きさの物体を重ね合わせるには、かなりの技術的困難が伴うだろう。[ 3 ]
根本的に、シュレーディンガーの猫の実験は、量子重ね合わせ状態がどれくらい持続するのか、そしていつ（あるいはそもそも）崩壊するのかを問うものである。量子力学の数学については様々な解釈が提案されており、この過程について異なる説明がなされている。
シュレーディンガーは、1935年に発表されたアインシュタイン、ポドルスキー、ローゼンの名にちなんで名付けられたEPR論文についての議論として、この思考実験を意図していた。[ 4 ] [ 5 ] EPR論文は、2つの粒子の量子系が、粒子が最後の接触点から遠く離れた場所で検出された場合でも分離しない量子重ね合わせの直感に反する性質を強調した。 [ 6 ] : 150 EPR論文は、この分離不可能性は、現実の理論としての量子力学が不完全であることを意味するという主張で締めくくられている。
シュレーディンガーとアインシュタインは、アインシュタインの EPR 論文について書簡を交わし、その中でアインシュタインは、不安定な火薬樽の状態は、しばらくすると爆発状態と未爆発状態の両方の重ね合わせ状態を含むことを指摘した。[ 5 ]さらに説明するために、シュレーディンガーは、重ね合わせ状態にある量子粒子に依存させることで、原理的に大規模なシステムで重ね合わせ状態を作り出すことができる方法を説明した。彼は、密閉された鋼鉄の部屋にいる猫のシナリオを提案し、猫の生死は、放射性原子の状態、つまり、それが崩壊して放射線を放出したかどうかに依存するとした。シュレーディンガーによれば、ボーアとハイゼンベルクの立場は、状態が観測されるまで猫は生きている状態と死んでいる状態の両方にあるというものだった。シュレーディンガーは、生きている猫と死んでいる猫という考えを真剣に検討するつもりはなかった。それどころか、彼はその例を通して量子力学の既存の見解の不条理さを説明しようとした[ 1 ]ので、背理法を用いた。
シュレーディンガーの時代以来、物理学者によって量子力学の数学のさまざまな解釈が提唱されてきましたが、その中には「生きている猫と死んでいる猫」の重ね合わせを実在するものとみなすものもあれば、そうでないものもあります。 [ 7 ] [ 8 ] 1935年に普及していた考え方への批判として意図されたシュレーディンガーの猫の思考実験は、量子力学の現代の解釈の試金石であり、それらの長所と短所を説明し比較するために使用できます。 [ 9 ]
シュレーディンガーは次のように書いた。[ 1 ] [ 10 ]
完全に滑稽な（茶番劇のような）事例さえも考案できる。猫を鋼鉄製の部屋に入れ、そこに以下の恐ろしい装置（猫が直接干渉しないように固定しなければならない）を一緒に置く。ガイガーカウンターには、ごく微量の放射性物質が入っている。その量は非常に少ないため、1時間の間に原子の1つが崩壊するかもしれないが、同じ確率でどれも崩壊しない。もし崩壊が起こった場合、カウンター管が放電し、リレーを介してハンマーが作動し、シアン化水素酸の小瓶を粉砕する。このシステム全体を1時間放置した場合、その間に原子が1つも崩壊していなければ、猫はまだ生きていると自分に言い聞かせるだろう。しかし、たった1つの原子が崩壊しただけでも、猫は毒されているはずだ。このシステム全体のサイ関数は、生きている猫と死んだ猫（この表現をお許しいただきたい）が等量ずつ混ざり合っている、あるいは広がっている状態として表現されるだろう。
こうした事例に共通するのは、もともと原子領域に限定されていた不確定性が、感覚的に観察可能な（巨視的な）不確定性へと変化し、直接観察によって解決されるという点である。このため、私たちは「ぼやけたモデル」を現実の代表として安易に受け入れることはできない。それ自体は、不明瞭な点や矛盾する点を体現するものではない。手ブレやピントのずれた写真と、雲や霧の塊を捉えたスナップ写真には違いがある。
シュレーディンガーはアインシュタインとの書簡のやり取りの中で、有名な思考実験を考案した。彼は波動関数が現実を表現できないという結論を説明するために、この「全くばかげた事例」を提案した。[ 6 ]：153 完全な猫系の波動関数による記述は、猫の現実が生きている猫と死んだ猫を混ぜ合わせたものであることを意味する。[ 6 ]： 154アインシュタインはこの思考実験がこれらの問題を浮き彫りにする能力に感銘を受けた。1950年のシュレーディンガー宛の手紙の中で、彼は次のように書いている。[ 6 ]： 157
あなたは、ラウエ以外で、正直であれば現実の前提を回避することはできないと理解している唯一の現代の物理学者です。彼らのほとんどは、実験的に確立されたものとは独立した現実という、現実をめぐる危険なゲームをしていることに気づいていません。しかし、放射性原子＋増幅器＋火薬＋箱の中の猫というあなたのシステムによって、彼らの解釈は最も優雅に反駁されます。このシステムでは、システムのサイ関数に、生きている猫と粉々に吹き飛ばされた猫の両方が含まれています。猫の存在または不在が観察行為とは独立したものであることを本当に疑う人は誰もいません。[ 11 ]
シュレーディンガーの装置では、火薬の装填量は言及されていないことに注意されたい。シュレーディンガーの装置では、増幅器としてガイガーカウンターが使用され、火薬の代わりにシアン化水素毒が使用されている。火薬は、15年前にアインシュタインがシュレーディンガーに最初に提案した際に言及されており、アインシュタインはそれを現在の議論に持ち越した。[ 5 ]
現代の用語で言えば、シュレーディンガーの架空の猫の実験は測定問題を説明しています。量子論では猫のシステムは2つの可能な結果の組み合わせとして記述されますが、観測されるのは1つの結果のみです。[ 12 ] : 57 [ 13 ] : 1269この実験は、「量子システムはいつ状態の重ね合わせとして存在しなくなり、どちらか一方になるのか？」という 疑問を提起します。（より技術的には、実際の量子状態は、それぞれが異なる古典的状態に似ている状態の非自明な線形結合ではなくなり、代わりに一意の古典的記述を持つようになるのはいつなのか？）標準的な微視的量子力学は、実験の複数の可能な結果を記述しますが、観測されるのは1つの結果のみです。この思考実験はこの明らかなパラドックスを示しています。私たちの直感では、猫は同時に複数の状態にあることはできないとされていますが、この思考実験の量子力学的記述はそのような条件を必要とします。
シュレーディンガーの時代以降、量子力学の他の解釈が提案され、重ね合わせ状態がどれくらい続くのか、そしていつ（あるいはそもそも）崩壊するのかという、シュレーディンガーの猫が提起した疑問に対して、異なる答えが与えられてきた。
量子力学の一般的な解釈の一つに、コペンハーゲン解釈がある。[ 14 ] コペンハーゲン解釈では、測定結果は重ね合わせ状態の1つだけとなる。この思考実験は、この解釈が箱が閉じている間の猫の状態を全く説明できないことを明確に示している。系の波動関数記述は、「崩壊した原子核／死んだ猫」と「崩壊していない原子核／生きている猫」の状態の重ね合わせから成り立っている。箱が開けられ、観測されたときに初めて、猫について何らかの発言ができるのである。[ 6 ]：157
1932年、ジョン・フォン・ノイマンは著書『量子力学の数学的基礎』の中で、放射性物質源が装置によって観測され、その装置自体が別の装置によって観測される、といったパターンについて述べた。この因果関係の連鎖に沿って重ね合わせが崩壊する量子論の予測には違いはない。[ 15 ]この潜在的に無限の連鎖は、最後の装置を意識のある観測者に置き換えることで断ち切ることができる。個人の意識は複数にはなり得ないと主張されたため、これは問題を解決した。[ 16 ]ユージン・ウィグナーは、波動関数の右辺の項がどちらか一方（例えば、生きている猫か死んだ猫）に崩壊するには観測者が必要であると主張した。ウィグナーは、ウィグナーの友人として知られる思考実験でその解釈について議論した。[ 17 ]ウィグナーは、友人が箱を開けて誰にも言わずに猫を観察したと仮定した。ウィグナーの意識的な視点から見ると、友人は今や波動関数の一部であり、生きている猫と死んだ猫の両方を見たことになる。第三者の意識的な視点から見ると、ウィグナーが友人から結果を知った時点で、ウィグナー自身も波動関数の一部となる。これは無限に延長できる。[ 17 ]
このパラドックスの解決策は、ガイガーカウンターの作動が放射性物質の状態の測定とみなされるというものである。猫の状態を決定する測定がすでに行われているため、その後の人間の観察は、すでに起こったことだけを記録する。[ 18 ]ロジャー・カーペンターとAJアンダーソンによる実際の実験の分析では、測定のみ（例えばガイガーカウンターによる）で、人間が結果を知る前に量子波動関数を収縮させるのに十分であることがわかった。[ 19 ]この装置は、結果に応じて2つの色のうちの1つを示す。人間の観察者はどの色が示されたかを見るが、その色がどの結果を表しているかを意識的に知ることはない。装置をセットアップした2人目の人間は、その色を知らされ、結果を意識するようになり、箱を開けて結果が一致するかどうかを確認する。[ 15 ]しかし、単に色を観察することが結果の意識的な観察とみなされるかどうかは議論の余地がある。[ 20 ]
コペンハーゲン解釈に関わった主要な科学者の一人であるニールス・ボーアの研究を分析すると 、彼は箱が開けられる前の猫の状態を不確定と見ていたことが示唆される。重ね合わせ自体はボーアにとって物理的な意味を持たなかった。シュレーディンガーの猫は箱が開けられるずっと前に死んでいるか生きているかのどちらかだが、猫と箱は切り離せない組み合わせを形成している。[ 21 ] ボーアは人間の観察者の役割を全く見ていなかった。[ 22 ] : 35 ボーアは測定結果の古典的な性質を強調した。「不可逆」または実質的に不可逆なプロセスは、「観察」または「測定」の古典的な振る舞いをもたらす。[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]
1957年、ヒュー・エヴェレットは量子力学の多世界解釈を提唱した。この解釈では、観測は特別なプロセスとして扱われない。多世界解釈では、箱が開けられた後も猫の生の状態と死の状態は存続するが、互いにデコヒーレンス状態にある。言い換えれば、箱が開けられると、観測者と死んでいる可能性のある猫は、死んだ猫が入った箱を見ている観測者と、生きている猫が入った箱を見ている観測者に分かれる。しかし、生の状態と死んでいる状態はデコヒーレンス状態にあるため、両者の間にはコミュニケーションや相互作用は存在しない。
箱を開けると、観察者は猫と量子もつれ状態になり、猫が生きている状態と死んでいる状態に対応する「観察者状態」が形成されます。各観察者状態は猫と量子もつれ状態、つまりリンク状態にあるため、猫の状態の観察と猫の状態は互いに対応します。量子デコヒーレンスは、異なる結果が互いに相互作用しないことを保証します。デコヒーレンスは一般的に、複数の状態の同時観察を防ぐと考えられています。[ 26 ] [ 27 ]
宇宙論学者マックス・テグマークは、シュレーディンガーの猫実験の変形版である「量子自殺マシン」を提唱した。これは、シュレーディンガーの猫実験を猫の視点から考察し、このアプローチを用いることで、コペンハーゲン解釈と多世界解釈を区別できる可能性があると主張するものである。
アンサンブル解釈では、重ね合わせはより大きな統計的アンサンブルのサブアンサンブルです。状態ベクトルは個々の猫の実験には適用されず、同様に準備された多くの猫の実験の統計にのみ適用されます。これらの解釈の支持者は、これによりシュレーディンガーの猫のパラドックスは些細な問題、あるいは問題にならないと主張します。物理学者が箱を開けると、その特定の猫がどのサブアンサンブルに属していたかが単にわかるだけです。[ 28 ]
関係的解釈では、人間の実験者、猫、装置の間、あるいは生物系と無生物系の間に根本的な区別はありません。これらはすべて同じ波動関数進化の規則に支配される量子系であり、すべて「観察者」とみなすことができます。しかし、関係的解釈では、異なる観察者が、システムについて持っている情報に応じて、同じ一連の出来事について異なる説明を与えることができるとされています。[ 29 ]猫は装置の観察者とみなすことができます。一方、実験者は箱の中のシステム（猫と装置）の別の観察者とみなすことができます。箱が開けられる前に、猫は生きているか死んでいるかという性質上、装置の状態（原子が崩壊したか崩壊していないか）に関する情報を持っていますが、実験者は箱の中身の状態に関する情報を持っていません。このようにして、2人の観察者は同時に状況について異なる説明をします。猫には、装置の波動関数が「崩壊」したように見えます。実験者には、箱の中身が重ね合わせの状態にあるように見えます。箱が開けられ、両方の観察者が何が起こったかについて同じ情報を得るまで、両方のシステム状態は「崩壊」して、猫が生きているか死んでいるかという同じ明確な結果に至らない。
トランザクション解釈では、装置は時間的に逆行する前進波を放出し、それが時間的に順行する光源が放出する波と組み合わさって定常波を形成する。波は物理的に実在するものと見なされ、装置は「観測者」とみなされる。トランザクション解釈では、波動関数の崩壊は「非時間的」であり、光源と装置間のトランザクション全体に沿って発生する。猫は決して重ね合わせ状態にはない。むしろ、人間の実験者が箱の中をいつ見るかに関わらず、猫は特定の時点では1つの状態にしかない。トランザクション解釈はこの量子パラドックスを解決する。[ 30 ]
客観的崩壊理論によれば、重ね合わせ状態は、時間、質量、温度、不可逆性などの客観的な物理的閾値に達すると、（外部の観測とは無関係に）自発的に破壊される。したがって、猫は箱が開けられるずっと前に、すでに一定の状態に落ち着いていると考えられる。これは大まかに言えば、「猫が自分自身を観察する」あるいは「環境が猫を観察する」と言えるだろう。
客観的崩壊理論では、重ね合わせ状態が時間発展の過程で破壊されることを可能にするために、標準的な量子力学の修正が必要となる。[ 31 ]これらの理論は、実験でメゾスコピック重ね合わせ状態を作り出すことで理想的に検証できる。例えば、エネルギー猫状態は、量子重力に関連するエネルギーデコヒーレンスモデルの精密な検出器として提案されている。[ 32 ]
記述されている実験は純粋に理論的なものであり、提案された装置が実際に構築されたという証拠はない。しかし、量子物理学の基準からすると比較的大きな物体の重ね合わせなど、同様の原理を用いた実験は成功している。 [ 33 ]これらの実験では、猫サイズの物体が重ね合わせられることは示されていないが、「猫状態」の既知の上限はこれらの実験によって引き上げられた。多くの場合、絶対零度近くまで冷却しても、その状態は短命である。
量子コンピューティングでは、「猫状態」という表現は、GHZ状態を指す場合があり、その状態では複数の量子ビットがすべて0である状態とすべてが1である状態の等しい重ね合わせ状態になります。
科学史家のロバート・P・クリースによれば、シュレーディンガーの思考実験は1970年代まで広く知られていなかった。1972年、アーシュラ・K・ル＝グウィンは小説『所有されざる人々 』のために量子力学を研究している際にこのことを知った。クリースは、彼女の1974年の短編小説「シュレーディンガーの猫」がこの概念を大衆文化にもたらしたと評価している。[ 43 ]他のSF作家もすぐにこの概念を取り上げ、しばしばユーモラスな調子で使用した。[ 44 ]フィクション作品は、終末論的なSFからヤングアダルトドラマまで、さまざまなジャンルで、プロット装置や比喩としてシュレーディンガーの思考実験を採用しており、物理学そのものよりも大衆文化において猫がより目立つ存在となっている。[ 45 ] [ 46 ] [ 47 ] [ 48 ]
シュレーディンガーの猫は多くのSF作品のモチーフとなっており、グレッグ・ベアの「シュレーディンガーの疫病」（Analog、1982年3月29日）、ジョージ・アレック・エフィンガーの「シュレーディンガーの子猫」（Omni、1988年9月）、F・グウィンプレイン・マッキンタイアの「シュレーディンガーの猫シッター」（Analog、2001年7月/8月）、ルディ・ラッカーの「シュレーディンガーの猫」（ Analog 、1981年3月30日）、ロバート・アントン・ウィルソンの「シュレーディンガーの猫三部作」 （1988年）など、量子物理学のさまざまな解釈を示す作品のタイトルとしても使用されています。[ 49 ] [ 50 ]小説や短編小説に加えて、シュレーディンガーの猫は映画、[ 51 ] [ 52 ] [ 53 ] [ 54 ]詩、[ 55 ] [ 56 ]演劇、[ 57 ] [ 58 ]実写テレビ、 [ 59 ]漫画、[ 60 ] [ 61 ] [ 62 ]音楽、[ 63 ]ウェブコミックにも登場している。[ 45 ]
男はガンツを攻撃するのをやめます。 Eine Katze wird in eine Stahlkammer gesperrt, zusammen mit folgender Höllenmaschine (die man gegen den direkten Zugriff der Katze sichern muß): in einem Geigerschen Zählrohr befindet sich eine winzige Menge radioaktiver Substanz, so wenig, daß im Laufe einer Stunde vielleicht eines von den Atomen zerfällt、ebenso wahrscheinlich aber auch keines; geschieht es, so spricht das Zählrohr and betätigt über ein Relais ein Hämmerchen, das ein Kölbchen mit Blausäure zertrummert.帽子の男はガンゼ システムを認識し、非常に優れたシステムを備えています。したがって、帽子の男はそのような人に注意を払う必要があります。最も重要なのは、Atomzerfall を理解することです。 Die Psi-Funktion des ganzen Systems würde das so zum Ausdruck Bringen, daß in ihr die lebende und die tote Katze (svv) [sit venia Verbo] zu gleichen Reilen gemischt oder verschmiert sind.最も重要な問題は、最高の安全性を保証するために、最高の安全性を備えた最高の安全性を備えた最高の安全性を備えた最高の安全性です。非常に単純な Weise ein "verwaschenes Modell" als Abbild der Wirklichkeit gelten zu lassen を妨げるものはありません。 Unklares または Widerspruchsvolles に関するすべての情報。これは、ヴォルケンとネーベルシュヴァーデンの写真撮影とアウフナーメの撮影に役立ちます。
測定理論における不可逆性の役割は、多くの人によって強調されてきた。この方法によってのみ、永続的な記録が得られる。個別のポインタの位置が、通常不可逆性に関連付けられる漸近的な性質を持つ必要があるという事実は、ダネリ、ロインガー、プロスペリ (1962) の測定理論で利用されてきた。これは、ローゼンフェルド (1966) によってボーアの考えの形式的表現として受け入れられた。
