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はてなキーワード: 量子論とは
シュレーディンガーはアインシュタインに宛てて、量子力学のコペンハーゲン解釈の重大な欠陥を明らかにするために、架空の実験装置を作った。この解釈では、量子系は外部の観測者と相互作用するまで、2つ以上の状態の重ね合わせに留まるとされる[1]。
この効果を、原子というミクロな世界の特殊性として片付けることはできるかもしれないが、その世界が、テーブルや椅子、猫といったマクロな日常世界に直接影響を及ぼすとしたらどうだろうか。シュレーディンガーの思考実験は、それを明らかにすることで、量子力学のコペンハーゲン解釈の不条理を明らかにしようとした。 粒子が重ね合わされた状態にあることは、一つの事実だ。しかし猫はどうだろう。猫はどちらか一方にしか属さないし、死んだり生きていたりもしない。
ガイガーカウンターの中に、ほんの少しの放射性物質が入っていて、1時間のうちに原子の1つが崩壊するかもしれないが、同じ確率で1つも崩壊しないかもしれない。このシステム全体を1時間放置しておくと、その間、原子が崩壊していなければ、猫はまだ生きていると言うだろう。システム全体のΨ関数(波動関数)は、その中に生きている猫と死んだ猫(表現は悪いが)が等しく混ざり合っていることで、このことを表現している。
この思考実験の意味合いについては、多くの現代的な解釈や読み方がある。あるものは、量子力学によって混乱した世界に秩序を取り戻そうとするものである。また、複数の宇宙で複数の猫が生まれると考えるものもあり、「重ね合わせられた猫」がむしろ平凡に見えてくるかもしれない。
通常の話では、波動関数は箱入りのネコを記述する。QBismでは、箱を開けたら何が起こるかについてのエージェントの信念を記述する。
例えば、Aさんがギャンブラーだとしよう。ネコの生死を賭けたいが、量子波動関数が最も正確な確率を与えてくれることを知っている。しかし、世の中には波動関数のラベルがない。自分で書き留めなければならない。自由に使えるのは、Aさん自身の過去の行動とその結果だけである。なので結果として得られる波動関数は、独立した現実を反映したものではない。世界がAさんにどう反応したかという個人的な歴史なのだ。
今、Aさんは箱を開けた。死んだ猫、あるいは生きている猫を体験する。いずれにせよ、Aさんは自分の信念を更新し、将来の出会いに期待するようになる。他の人が不思議な「波動関数の崩壊」と呼ぶものは、QBistにとっては、エージェントが自分の 賭けに手を加えることなのだ。
重ね合わせを形成するのはエージェントの信念であり、その信念の構造から猫について何かわかる。なぜなら、波動関数は、エージェントが箱に対して取り得るすべての行動（相互に排他的な行動も含む）に関する信念をコード化しており、Aさんの信念が互いに矛盾しない唯一の方法は、測定されていない猫に固有の状態が全く存在しない場合だからである。
QBistの話の教訓は，ジョン・ホイーラーの言葉を借りれば参加型宇宙であるということである。
2. ボーミアンについて
量子力学のコペンハーゲン解釈によれば、電子のような量子粒子は、人が見るまで、つまり適切な「測定」を行うまで、その位置を持たない。シュレーディンガーは、もしコペンハーゲン解釈が正しいとするならば、電子に当てはまることは、より大きな物体、特に猫にも当てはまることを示した：猫を見るまでは、猫は死んでいないし生きていない、という状況を作り出すことができる。
ここで、いくつかの疑問が生じる。なぜ、「見る」ことがそんなに重要なのか？
量子力学には、ボーム力学というシンプルでわかりやすい版があり、そこでは、量子粒子は常に位置を持っている。 猫や猫の状態についても同様だ。
なぜ物理学者たちは、シュレーディンガーの猫のような奇妙でありえないものにこだわったのだろうか？それは、物理学者たちが、波動関数による系の量子的な記述が、その系の完全な記述に違いないと思い込んでいたからである。このようなことは、最初からあり得ないことだと思われていた。粒子系の完全な記述には、粒子の位置も含まれるに違いないと考えたのである。 もし、そのように主張するならば、ボーミアン・メカニクスにすぐに到達する。
シュレーディンガーの猫の本当の意味は、実在論とは何の関係もないと思う人もいる。それは、知識の可能性と関係があるのだ。問題は、量子世界が非現実的であることではなく、量子系を知識の対象として安定化できないことである。
通常の知識の論理では、私たちの質問とは無関係に、知るべき対象がそこに存在することが前提になる。しかし、量子の場合、この前提が成り立たない。量子力学的なシステムに対して、測定という形で問いを投げかけると、得られる答えに干渉してしまう。
これらの本質的な特徴は「反実仮想」であり、何があるかないか（現実）ではなく、何が可能か不可能かについてである。実際、量子論の全体は反実仮想の上に成り立っている。反実仮想の性質は、量子論の運動法則よりも一般的であり、より深い構造を明らかにするものだからだ。
量子論の後継者は、運動法則は根本的に異なるかもしれないが、反実仮想の性質を示すことで、重ね合わせやエンタングルメント、さらには新しい現象が可能になるだろう。
シュレーディンガーは、仮想的な猫の実験で何を言いたかったのだろうか？現在では、シュレーディンガーは、量子論は、猫が死んでも生きてもいない浮遊状態にある物理的可能性を示唆していると主張したと一般に言われている。しかし、それは正反対である。シュレーディンガーは、そのようなことは明らかに不合理であり、そのような結果をもたらす量子論を理解しようとする試みは拒否されるべきであると考えたのである。
シュレーディンガーは、量子力学の波動関数は、個々のシステムの完全な物理的記述を提供することはできないと主張したアインシュタイン-ポドロスキー-ローゼンの論文に反発していたのである。EPRは、遠く離れた実験結果の相関関係や「spooky-a-distance（不気味な作用）」に着目して、その結論を導き出したのである。
シュレーディンガーは、2つの前提条件と距離効果とは無関係に、同じような結論に到達している。彼は、もし1）波動関数が完全な物理的記述を提供し、2）それが「測定」が行われるまで常に彼自身（シュレーディンガー）の方程式によって進化するなら、猫はそのような状態に陥る可能性があるが、それは明らかに不合理であることを示したのだ。したがって、ジョン・ベルの言葉を借りれば、「シュレーディンガー方程式によって与えられる波動関数がすべてではないか、あるいは、それが正しくないかのどちらか」なのである。
もし、その波動関数がすべてでないなら、いわゆる「隠れた変数」を仮定しなければならない（隠れていない方が良いのだが）。もし、それが正しくないのであれば、波動関数の「客観的崩壊」が存在することになる。以上が、Schrödingerが認識していた量子力学的形式を理解するための2つのアプローチである。いわゆる「多世界」解釈は、1も2も否定せずにやり過ごそうとして、結局はシュレーディンガーが馬鹿にしていた結論に直面することになる。
シュレーディンガーの例は、量子システムの不確定性をミクロの領域に閉じ込めることができないことを示した。ミクロな系の不確定性とマクロな系の不確定性を猫のように絡ませることが考えられるので、量子力学はミクロな系と同様にマクロな系にも不確定性を含意している。
問題は、この不確定性を形而上学的（世界における）に解釈するか、それとも単に認識論的（我々が知っていることにおける）に解釈するかということである。シュレーディンガーは、「手ぶれやピンボケの写真と、雲や霧のスナップショットとは違う」と指摘し、量子不確定性の解釈はどちらも問題であるとした。量子もつれは、このように二律背反の関係にある。
ベルが彼の定理を実験的に検証する前、量子力学の技術が発展し、もつれ状態の実在性を利用し、巨視的なもつれシステムを作り出す技術が開発される前、形而上学的な雲のオプションはテーブルから外されるのが妥当であった。しかし、もしもつれが実在するならば、それに対する形而上学的な解釈が必要である。
波動関数実在論とは、量子系を波動関数、つまり、死んだ猫に対応する領域と生きた猫に対応する領域で振幅を持つように進化しうる場と見なす解釈のアプローチである。シュレーディンガーが知っていたように、このアプローチを真面目に実行すると、これらの場が広がる背景空間は、量子波動関数の自由度を収容できる超高次元空間となる。
6. 超決定論について
不変集合論（IST）は、エネルギーの離散的性質に関するプランクの洞察を、今度は量子力学の状態空間に再適用することによって導き出された量子物理学のモデルである。ISTでは、量子力学の連続体ヒルベルト空間が、ある種の離散的な格子に置き換えられる。この格子には、実験者が量子系に対して測定を行ったかもしれないが、実際には行わなかったという反実仮想の世界が存在し、このような反実仮想の世界は格子の構造と矛盾している。このように、ISTは形式的には「超決定論」であり、実験者が行う測定は、測定する粒子から独立しているわけではない。
ISTでは、ISTの格子上にある状態は、世界のアンサンブルに対応し、各世界は状態空間の特別な部分集合上で進化する決定論的系である。非線形力学系理論に基づき、この部分集合は「不変集合」と呼ばれる。格子の隙間にある反実仮想世界は、不変集合上には存在しない。
アインシュタインは、量子波動関数は、不気味な距離作用や不確定性を持たない世界のアンサンブルを記述していると考えていたが、これは実現可能である。 特に、シュレーディンガーの猫は、死んでいるか生きているかのどちらかであり、両方ではないのだ。
シュレーディンガーの猫の寓話に混乱をもたらしたのは、物理システムが非関係的な性質を持つという形而上学的仮定である。 もし全ての性質が関係的であるならば、見かけ上のパラドックスは解消されるかもしれない。
猫に関しては、毒が出るか出ないか、猫自身が生きているか死んでいるかである。 しかし、この現象は箱の外にある物理系には関係ない。
箱の外の物理系に対しては、猫が起きていても眠っていても、猫との相互作用がなければその性質は実現されず、箱と外部系との将来の相互作用には、原理的に、猫がその系に対して確実に起きていたり確実に眠っていたりした場合には不可能だった干渉作用が含まれる可能性があるからだ。
つまり「波動関数の崩壊」は、猫が毒と相互作用することによって、ある性質が実現されることを表し、「ユニタリー進化」は、外部システムに対する性質の実現確率の進化を表すのである。 これが、量子論の関係論的解釈における「見かけのパラドックス」の解決策とされる。
8. 多世界
物理学者たちは古典物理学では観測された現象を説明できないことに気づき、量子論の現象論的法則が発見された。 しかし、量子力学が科学的理論として受け入れられるようになったのは、シュレーディンガーが方程式を考案してからである。
シュレーディンガーは、自分の方程式を放射性崩壊の検出などの量子測定の解析に適用すると、生きている猫と死んでいる猫の両方が存在するような、複数の結果が並列に存在することになることに気づいた。実はこの状況は、よく言われるように2匹の猫が並列に存在するのではなく、生きている1匹の猫と、異なる時期に死んだ多数の猫が並列に存在することに相当する。
このことは、シュレーディンガーにとって重大な問題であり、量子測定中に量子状態が崩壊することによって、量子系の進化を記述する方程式としての普遍的な有効性が失われることを、彼は不本意ながら受け入れた。崩壊は、そのランダム性と遠方での作用から、受け入れてはならないのだろうか。その代わりに、パラレルワールドの存在が示されれる。これこそが、非局所的な作用を回避し、自然界における決定論を守る一つの可能性である。
「すでに名著として評価がしっかりと定まっている本」で数式が出てこないというのは難しい。そういう一般向け啓蒙書は「名著」とされることはほぼ無いため。
量子力学は「粒子は"実在"するか」みたいな"意味"の話ではなく、純粋に数学的構造（ヒルベルト空間の構造が現実の物理現象を上手く説明できるという話）として考えた方がいいと思うので、数式を避けることはおすすめできない。数式を避けて一所懸命に"意味"を想像したところで間違った理解につながるだけ。
たとえば清水量子論あたりは定番だと思う。https://www.amazon.co.jp/dp/4781910629
AI曰く
いいえ、量子論はダーウィンの決定論を否定していません。ダーウィンの決定論は、生物の進化を決定するのは、個体間の競争と適応だという仮説ですが、量子論は、個体間の競争と適応の代わりに、量子効果を用いて生物の進化を説明することができます。
情報理論と量子論の結びつきから現実がシミュレーションである可能性を考える人がいるとして、「そんなのはありえない！」という反応をする人もいる。この差はなんだ？
物理なんてそもそも直感じゃ理解できないわけだし、「ありえない！」は猿の本能に基づいてると思うんだよな。
自称科学通に限って、「科学＝直感的に正しいと思うもの」だと無意識に仮定してる。
そんなクソ直感だけで、宇宙の始まりや宇宙の終焉や、この世の仕組みを本当に理解することにつながると？
ニック・ボストロムやマックス・テグマークは、確かに「ぶっ飛んだこと」を言わずにはいられない性格なので、その主張を疑う人もいるだろう。
だからといって、お前のクソ直感だけでは彼らの理論の間違いを証明することはできない。「多世界」「シミュレーション」といったものを証明・否定するエビデンスが存在しないのだ。
そしてそういったエビデンスが技術の発展によって発見されることもある。我々猿の直感でそんな未来を予想することなどできないだろう。
「確率って何？」というのは全然難しい話じゃなくて、「これは確率です」というのは「（互いに異なる）状態がいくつかあって、それぞれに1より小さい正の数が割り当てられていて、その数を全部足すと1になる」という構造があるということを言っているに過ぎない。サイコロの目は1,2,3,4,5,6があってp1, p2, p3, p4, p5, p6という正の数（ただし p1 + p2 + p3 + p4 + p5 + p6 = 1となる）が割り当てられている。普通の偏ってないサイコロならp1=p2=p3=p4=p5=p6=1/6と考えるアレだ。「状態」と「状態に割り当てられた正の数」のセット、ただし数を全部足したら1。それだけ。この数が確率であって、これをコルモゴロフの（古典）確率論と言う。これは人間の直感にも合っててよく理解できる。
でも自然現象はめんどくさい奴で、物理的な「状態」、例えばなんかの粒子が位置xにいて速度がvですというな状態だけど、に対して正の数pを割り当てて「状態(x,v)が起こる確率はpです」という風に記述しようとするとどうしても上手くいかないんだな。何かもうちょっと巧妙な記述の仕方をしないといけない。そのために生み出されたのが量子論で、これが信じられないくらい上手くいったというのが20世紀の物理学の金字塔の一つなんだよ。でも量子論の構造はコルモゴロフ的な古典確率論とは大きく異なっていてあまりにも人間の直感に反するものだから（なにしろ「状態」はヒルベルト空間の元でそのノルムが確率ですなんていうものだ。しかも古典確率論と混在して状態が密度行列になったり、観測理論まで行くと作用素値測度がどうとか言い出すことになる）、その有り様をどうにか分かりやすく伝えようとして色々な寓話的表現が行われた。その代表格が（哀れな）シュレディンガーの猫という話。
量子論を怪しい自己啓発やカルト宗教に援用する人がいることと、物理学における量子論という分野に研究価値があり、そのような物理現象が実在することは両立する。そして「量子論ってなんか怪しいし、そんなもの研究してるのはニセ科学者だけでしょ」という態度自体がニセ科学そのもの。
フィクションの描写を自身の女性蔑視感情を正当化するために援用する人がいることと、フィクションを性的対象としたり、フィクショナルな表現の中に自身のジェンダーとアイデンティティを表現する営みが社会学領域においても尊重するべきセクシュアリティとして認知されつつあることは両立する。そして「萌え絵ってなんか気持ち悪いし、そんなもの好むのは性差別主義者だけでしょ」という態度自体が差別そのもの。
一部大きな誤解している人たちがいるようなので。別に可視光領域で「極めて白い」物質が周囲よりひとりでに低い温度になるのは熱力学的に可能である。ブコメで指摘あるように放射冷却がその好個の実例になっている。気温はそれほどまで低く感じられないのに車が霜で真っ白になった経験はないだろうか？（私は年に数回ある）
まずは大雑把に。ある物体が大きな赤外放射能力を持っていれば、その物体は宇宙に向かって赤外線の形でエネルギーを放出できる。乾燥空気は赤外線に対してほぼ透明なのでこのエネルギーは低温である宇宙まで逃げていく結果、この物体はどんどん熱的エネルギーを失うことになる。その結果周囲から熱が物体に向かって流れ込むことになるが、当然熱伝導の際には温度差が生じるのでこの物体は間違いなく周囲より低温になる。
多くの人がなんとなく知っていると思うが、あらゆる物体は電磁波の波長ごとに物質特有の吸収しやすさ（＝不透明さ）、反射しやすさ、というものが決まっている。そして熱力学第二法則から、ある波長の電磁エネルギーを外に向かって放出する能力と逆にその波長の電磁エネルギー吸収する能力との比は個々の物体に全く依存しない普遍的な関数（波長と物体温度には依存）になっていることが知られている。（この関数を与える理論公式の説明が量子論誕生のきっかけになった）そして物体温度が高くなればなるほど、どの波長でもたくさんのエネルギーが放出される。（なので炭は高温で赤く光る）
さて、ここで可視光領域においては吸収能力がほぼ０（光を周囲の他の不透明物体に当てないようにするには、さらに反射率が高いと良い＝粉状のそれは「真っ白」）で、赤外領域においては吸収能力が最大（＝完全に不透明＝「真っ黒」）な物質を見つけられたとしよう。（反射能力と吸収能力の波長ごちとの特性に関しても因果律から一定の制限が加わる。しかし上述の仮定はその制限を破らないのではないか、とその方面の専門家ではないが、直感的には思われる）
この物質は真昼の太陽光（その電磁エネルギーのほとんどは可視光領域）を浴びてもそれによって暖められることはほとんどない。その一方、赤外に関してはその温度相当のエネルギーを外部に向かって最大限に放出する（吸収能力が最大限だから）ことになる。そこで
も し 周囲の物体（大気その他）の 赤 外 吸 収 能 力 が 小 さ け れ ば
この物質の出した赤外領域のエネルギーは極低温の宇宙にまで逃げていってしまうことになる、つまり真昼でもこの物質が太陽光を浴びて温度の高くなった周囲の物質からの熱伝導と、物質自身が受け取る太陽光のエネルギーと赤外放出エネルギーが釣り合う温度まで低下できることになる。もちろん宇宙を含めた全エントロピーは増大する一方になっている。
PS 大気の湿度が高く、しかも雲が出ていたりしたら赤外線が空間に充満することになる（水蒸気の赤外吸収能力は炭酸ガスの比ではない）。上述のように吸収能力と放出能力は比例しているので、この物質は充満している赤外線を完全に吸収してしまうこととなり、温度低下がどれほどのものになるか、疑問である。（充満している赤外エネルギー、わずかとは言え受け取る可視光エネルギー、周囲からの熱の流出入と、この物質の赤外放出エネルギーがバランスする温度までは低下（上昇）できる。もし水蒸気が十分にあり、雲の散乱によって赤外線がなんども水蒸気によって吸収・放出を繰り返される状態ならこの物質が吸収する赤外線の「温度」は外気温に等しくなるだろうから、その場合この物質は外気温よりは高くならざるを得ない（可視光の吸収の分があるから。でも周囲の固体よりは低温かも））
PS2 炭酸ガスも温室効果がある（＝赤外領域である程度不透明）ので、これがどれほどの影響をもたらすのか、は自分ごときが頭だけで考えただけではわからない。
宇宙人であるA氏は地上に地球人が産まれる前に地球に降り立った。
彼の宇宙船はガスや二酸化炭素類が発生しないクリーンなエネルギーであり、菌類は旅立つ前に滅菌室で滅菌されていた。
A氏は着陸し次第船体を四次元のボックスに折りたたんで収納し、四畳半の居住区を地球の物質だけで形成した。
完全なエコ住居であり、彼はできるだけ地球環境に改変を加えないように現地の食物は食べず、タンパク質と炭水化物を合成して作り出す器具からペースト状の食物だけを摂取した。
遠く母星への通信は量子論をもとにした通信設備で、ラグなく通信することができた。
光学迷彩的な家には匂いの偽装が施されており、虫も寄り付かない設計であった。
彼は地球の生態を母星に送り続けると、全く平和なまま母星から持ち込んだお茶を飲んで、つつがなく数年を過ごした。
そうして報告をすべて終えると、彼は住居を風呂敷のように畳んで四次元ボックスに入れ、代わりに宇宙船を取り出すと去っていってしまった。
まるでたった一人の花見客が、酒瓶をすっかり片付けて姿を消すようにである。
立つ鳥跡を濁さず（意訳）という信念を持つ彼であったので、一粒たりとも地上の改変箇所は見当たらないままだった。エネルギーは小型の縮退回路で間に合わせ、便は小型ブラックホールの中で分解した。
