都市伝説・不思議

【量子力学を楽しむ】「コペンハーゲン解釈」と「多世界解釈」のしくみ

最近話題になった量子コンピュータにも利用されてる量子力学。

 

量子力学の世界は、とても不思議な性質を取り扱う学問です。

 

したがって、わからないことが普通のことのように結論づけられます。

 

今回は量子力学の2つの有名な解釈をご紹介していきたいと思います。

 

2つの解釈

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○コペンハーゲン解釈
○多世界解釈

 

量子力コンピュータの演算などでは、量子力学の特性が用いるときに、多世界解釈という量子力学の代表的な解釈を用いています。

 

まず、多世界解釈を説明する前にコペンハーゲン解釈というものを見ていきます。

コペンハーゲン解釈

量子力学の古典的な解釈と言われているものです。

 

量子力学の状態は、いくつかの異なる状態の重ね合わせで表現される。このことを、どちらの状態であるとも言及できないと解釈し、観測すると観測値に対応する状態に変化する(波束の収縮が起こる)と解釈する。

 

 

ポイント

・観測されていない時は、状態が共存している。
・観測されたなんらかの行いにより、確率的な現象が発生する。

観測していない時の状態は波動の性質により、現象が波の状態にあります。この状態、すなわち波のことを「波動関数」といいます。

 

はい、少し聴き慣れない文字が出てきましたね。

 

頭を柔らかくして聞いて見てくださいね。

 

そして、観測によって粒子の性質になることを「波動関数の崩壊(波束の収縮)」と言います。

 

参考元:多世界解釈

 

例えば、3Dゲームをしていて、プレイヤーが操作しているキャラクターが前を見いているとします。

 

この時に画面では前の方向しか確認できませんが、実際の設定では後ろにも背景が広がっています。

 

この場合、キャラクターが見ている前面が観測できる部分、つまり「波動関数の崩壊」が起こっている状態だと言えます。

 

一方、逆に後ろにあるはずの空間はゲーム画面に出てきませんよね。

 

このときはキャラクター(プレイヤー)に観測されていないので、波のように物質として捉えられない状態にあります。

 

要するに、一つの世界の中で発生している電子は、観測にされること波の波動が、崩れることになって、物質である粒子が観測されるという考え方です。

 

ただ、この解釈には問題点もありました。

観測としての問題

現在の量子力学は、なぜ観測により波動関数が収束を起こすのか、 とか、観測しないときに電子はどの位置にあるのか、といった問いには答えない。 「観測によって検証できない内容」は物理の範疇ではないというスタンスである

 

波動関数の崩壊で観測される対象が粒子生に変化する。
この場合、その現象自体の説明はありません。

 

なんで観測すると波動関数が崩壊して物質性が生じるのか?

 

という疑問はそもそも考えないのです。

この分野では証明出来ないことも立派な解答である不思議な学問であるということです。

エヴェレットの多世界解釈

そこで、量子力学の新たな解釈として、プリンストン大学の学生であったエヴェレットが提唱した多世界解釈が出て来るようになりました。
ポイント

・観測前の状態は存在しているとして考える。
・観測結果によって、観測者自身にそれぞれの観測された世界が発生する。

一見して聞くと、パラレルワールドのような観点ですね。

 

 この解釈は観測されていない部分も状態が存在しいているものだと考えます。

 

つまり波動関数の崩壊は起きないという解釈になります。

 

コペンハーゲン解釈が一つの世界での量子の動きを観測していたのに対して、この解釈は、観測によって複数の世界が同時に起こり、その世界は互いに干渉しないという特徴があります。

 

現象からなる結果がいくつも並行した世界の中に存在しているということです。

「シュレリンガーの猫」での例え

有名な思考実験である「シュレリンガーの猫」のたとえに当てはめてみると、このようになります。

 

 (説明内容をわかりやすくするために変えています。)
密封された箱の中に猫1匹と爆弾が入っています。
この爆弾は50%の確率で爆発し、その場合100%の確率で猫は亡くなります
逆に爆発しない場合は猫は生きています。

 

猫は生きているのか、それとも亡くなっているのか?という思考実験です。

 

密封された状態では観測されていないので、量子論的に考えると、猫が生きている状態と亡くなっている状態が「重ね合わせ」になります。

 

フタを開けて観測して初めて猫の生死が決定されるんですね。

 

逆に言えば、フタを開けるまで決定していないことになります。

 

エヴェレット解釈では、箱の中に存在する猫の重ね合せ状態は、観測を行う前も後も変わらない。観測によって、「生きている猫を観測した観測者」と「死んでいる猫を観測した観測者」の重ね合わせ状態に分岐する(宇宙全体が並行に分岐するわけではない点で、並行世界の概念とは大きく異なる)。分岐した後には「生きている猫を観測した観測者」または「死んでいる猫を観測した観測者」の一方しか残らないため、矛盾は存在しない、という考え方である。引用元:シュレーディンガーの猫 ウイキペディア

ようするに、観測者自身が50%の確率で「猫が生きていることを観測している世界」と「猫が亡くなっていることを観測している世界」にそれぞれ分岐しているということです。

これは量子的な状態の可能性によって世界が分岐していくという解釈になるのです。

「君の名は」に見える多世界解釈

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このように世界が分岐している状態が起こっている解釈は様々な作品で取り扱われています。

 

その中には「君の名は」という2016年の公開された日本の大ヒットアニメ映画があります。

 

君の名は。

君の名は。

 

この作品はストーリー全体に多世界解釈や入れ替わり、時間や空間のズレといった概念が散りばめられていて、細かな描写にも表現されています。

 

 

テッシーが読んでたムー

9/5にテッシーが校庭で読んでいたムーに、「多世界解釈」の文字が。
君の名は。にはパラレルワールドが一応存在する(彗星で三葉が死ぬ世界、死なない世界)ので、序盤での1つのヒントになっている。

 

このように画像やセリフにもこの解釈を示す表現がされています。

個人的には、この映画は非常に面白く、2回見にいきましたね。

ストーリー的も1回見ただけでは、分からない内容も多く難解だったことを覚えています。

多世界解釈の概念を取り入れて見てみれば、また違った楽しみが味わえるかもしれません。

まとめ

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いかがでしたか?

 

量子力学の不思議は解明されることがあるのでしょうか。

 

もしそうなれば宇宙の構成につながる真実や、平行宇宙やパラレルワールドなどが次々と解明されるのかもしれません。

 

現在の例で言えば量子コンピュータは、AIのシンギュラリティを加速させる可能生も秘めているかもしれませんね。

 

個人的には目に見えない内面的な部分にも精通するようなイメージがあるので、好きな分野ですね。

 

最後まで読んでいただき、ありがとうございます。

 

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