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量子力学に対する分別ある評価:因果律が成立しない反実在論的な世界

相対性理論量子力学の影響
 20世紀に入るやアインシュタイン相対性理論を発表し、量子力学が登場し、物理学が大きく変貌する。量子力学は、自然界のエネルギー、例えば原子のエネルギーが連続ではなくとびとびの値しかとらないことを主張し、それが半導体技術などに応用され、私たちの生活に欠かせない理論になっている。
 相対性理論はそれまでの世界の見方、時間と空間のとらえかたを大きく変えて、時間と空間が融合した「時空」の存在を明らかにした。しかし、相対性理論は、人間による認識から独立した客観的な世界が存在するという考え(=実在論)を変えることはなかった。だが、量子力学は、1920年代に形式化=数学化されるが、微視的世界の客観的描像について物理学者たちを悩ませ、議論を惹き起こしてきた。量子力学は、「人間による認識から独立した客観的世界」という考えと矛盾するものをもっていた。そこで、量子力学は客観的世界の描像を与えてくれるのかどうか、さらには、「認識から独立した客観的世界」という考え方に意味があるのかどうか、といった哲学的問題について議論が続くことになった。その中核をなすのがアインシュタイン・ボーア論争である。
古典的世界像を描けない量子力学
 量子力学を使って計算ができ、実験結果の予測がうまくできればいいと考えていたのではアインシュタインとボーアの論争に対する答えが出せない。二人の論争は、量子力学という理論や微視的世界に関する実験が、世界の存在に対してどういう意味を持ち、そこにどのような客観的世界が現れていると考えるべきかというような原理的な問題に関する議論だった。結局はボーアが勝利を収め、ボーア陣営のコペンハーゲン解釈量子力学の正統的な解釈として受け入れられるようになる。しかし、本当のところは、きちんとした決着がつかないまま今も議論が続いている。
 ギリシャ哲学以来、自然観や世界観は多くの人の関心を集めてきた。ところが、物理学の基礎理論として生まれた量子力学は明確な世界像を与えてくれない。そこから、世界は人間による認識から独立した仕方で存在しているはずだという古典的な前提の再検討が必要となってきた。量子力学が確定した世界像を与えてくれないという問題は、電子などの微視的対象が粒子でもあり波でもある二重の性質をもつことに現れ、それはまた観測に関係する問題でもある。
微視的対象のもつ二重性
 19世紀に電磁気学が成立し、「光は波である」と確証されたが、光電効果コンプトン効果の発見によって、粒子であるとも考えざるをえなくなった。逆に、電子は、もともと19世紀末に陰極線の実験などで発見されたときは粒子だったが、その後回折現象が明らかになり、波としても考えざるをえなくなる。そして、量子力学は、実験事実に関する数学的アルゴリズムを求めようとしたハイゼンベルク行列力学を、波という実在的なものの記述を与えようとしたシュレーディンガー波動力学を、それぞれ定式化し、物理的には同等な理論ができた。そして、ボルンによって波動関数の確率解釈が出され、数学的には量子力学は一応の完成をみる。
 結局、光や電子について、一方では波として説明せざるをえない実験事実があり,他方では粒子として説明せざるをえない実験事実があることになる。これは大変不思議なことで、首尾一貫した客観的な世界像が描けないことになる。自然界に存在する物質は粒子でできているとも、波でできているとも言えないことになるからである。
本質的に確率的な世界
 例えば位置とか運動量とかエネルギーといった物理量を微視的対象について実験により観測すると、その観測の結果は本質的に確率的になる。「本質的に確率的」ということは、完全に同じ設定、手順で実験しても、その実験結果がばらつくのである。そのため、実験(観測)結果は確率的にしか表現できない。古典力学では地球の位置は正確に予測できるが、量子力学では電子の位置は確率的にしか予測できない。
 古典力学で統計的表現を使う理由は、あまりにも関係する要素が多くて複雑なために、統計的に表現せざるをえない、同様に、天気予報の降雨予測も、関係する要素が多すぎて複雑であるために確率でしか表せない、と考えられている。十分な情報、データがないので確率を使うという訳である。量子力学での確率の意味は、こうした古典的な確率概念とは異なる。ごく少数の変数で完全に表現されていても、観測結果は確率でしか表せない。ミクロの世界は本質的に確率的な世界なのである。
ここかと思えば、またあそこと、その出現は変幻自在
 ある領域の電子の位置を観測するとしよう。観測をする直前にも電子はその領域に存在し、観測してその電子をそこに発見した、というように考えるのが古典的な常識だが、それができないのが量子力学。観測の直前には、電子は様々な異なる空間領域に現れる可能性として波のように広がって存在している。完全に同じような広がり方をしている電子をいくつか観測すると、ある電子はここに現れたり、別の電子はそこに現れたりする。ということは、観測直前にどこかの微小な空間領域に存在していたというような、はっきりした像が描けないということ。これは、古典力学と決定的に異なる量子力学独特の特徴であり、「観測問題」と呼ばれている。ある時刻の位置を予測するために太陽を観測したからといって、太陽の動きに影響を与えるわけではない。ところが、電子のような微視的対象の世界では、観測することが微視的対象の状態に影響を与えてしまう。
 このことは、観測のための光が太陽に当たっても,太陽は大きいから影響を受けないが、電子はきわめて小さいので、光を当てれば、当然、状態が変わるだろう、というように単純に考えるわけにはいかないのである。微視的対象の状態の変化は、古典的な考えの下では納得のできない変化で、そもそも微視的対象の「状態」が不思議な状態なのである。
観測問題のパラドクス
 観測問題のパラドクスを見事に表現しているのが有名な「シュレーディンガーの猫」である。1935年、シュレーディンガー量子力学のパラドクスを考えついた。箱の中に1時間に原子が1個崩壊する確率が1/2 となるくらいのごく少量の放射性物質と、放射線検出装置、致死性の毒ガスの入った容器を置く。放射線検出器が放射線を検出すると付属のハンマーが毒ガス容器を割って毒ガスが放出されるようにしておく。その箱に生きている猫を入れ、ふたを閉める。1時間経ったとき、放射性崩壊が起こって猫が死んだ確率は1/2であり、放射性崩壊が起こらなくて猫が生きている確率も1/2である。そのどちらが生じているかは、箱のふたを開けてみるまで、誰にもわからない。しかし、量子力学は、猫がどうなっているかについて「私たちが」知らないということではなくて、もっと不思議なことを主張している。
 量子力学が主張するパラドクシカルな点は二つある。まず、箱のふたを開ける前は、猫は生きているのでも死んでいるのでもなくて、生きている状態と死んでいる状態の「重ね合わせ」の状態にあると主張する。量子力学では、猫が完全に生きている状態を数学的には一つのベクトルで表す。また、猫が完全に死んでいる状態も別のベクトルで表す。そして、この二つのベクトルの和である第三のベクトルを作ることができるが、この第三のベクトルがふたを開ける直前の猫の状態を表している、と量子力学は主張する。この第三のベクトルが表しているとされる状態はまったく理解不可能な状態。というのは、この第三のベクトルが表している重ね合わせの状態というのは、決して観測されないからである。
 もう一つのパラドクシカルな点は、次のようなもの。箱のふたを開けると、上に述べた理解不可能な状態が、生きた状態か死んだ状態かのどちらかに瞬間的に変化するとされる点である。実際にふたを開けたときには、そのどちらかしか観測されず、ふたを開ける直前は、第三の不可思議な状態にあったので、ふたを開けたとたんに、状態は、確率的に、瞬間的な変化をしなければならない(波束の収縮、崩壊)。この瞬間的な変化とは、いったいどのような過程なのか。はたして、そのような変化は物理的な過程なのか。
 このようなパラドクスから、量子力学のいう「状態」が、個々の対象の客観的な状態を表していないかもしれないという疑念が生じることになる。
反実在論と実践的な量子力学
 物理学者と科学哲学者たちが、この量子力学の解釈問題を解いて、客観的な世界の描像を得ようと挑戦してきた。さまざまな提案がなされていても、相対性理論のからんだ「場の量子論」については、今のところ糸口すら見つかっていない。もしかすると、微視的世界については、ボーアが言ったように、観測から独立した実在という考えそのものを変えなければならないのかもしれない。そのような世界は、因果律が成立しない反実在論的な世界になる。しかし、アインシュタインが死ぬまで考えを変えなかったように、本当は因果律の成立する客観的な世界が実在しているのかもしれない。
 非因果的な反実在論的な世界において、私たちの存在はどのようになるのか。本当に科学の営みが反実在論的になったら、古代ギリシャ以来の伝統であった自然認識としての自然科学が否定され、自然科学を単に技術的な応用のための道具とみる見方になってくるのかもしれない。しかし、現実には、自然の統一的な描像を描けないままに、現代技術は量子力学をどんどん応用している。