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■ 今月読んだ本
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第２２０回
量子力学にとって実在とは何か―100年経っても未解決の観測問題
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定有堂書店店主の奈良さんから「量子力学の存在論（哲学）について書いてほしい」とリクエストがあったのは、確か２月から３月にかけての頃だったと記憶している。あまり気乗りがせず、「そのうちに」とあいまいな返事をした。
それから少し経って、大澤真幸がニールス・ボーア『因果性と相補性』を論じた３月１９日付朝日新聞読書欄「古典百名山」（No,120）を読んだ。「粒であることと波であることは矛盾する。‥‥物質はしかし究極的には粒であり波である。西田哲学風に言えば、絶対矛盾的自己同一。これを認めるのが量子論である。ボーアは波／粒の排他的な状態の二重性を「相補性」と呼んだ。」
波／粒の重ね合わせの状態は、観測によってどちらかに凝縮する。物の客観的な性質や存在の在り方は、観測しなければ確定しない。観測以前の物の客観的存在を論じることはできない。大澤は「シュレディンガーの猫」（後述）を示唆する表現でコラムを閉じる。「しかし観測から独立に存在が定義できないとするとどうなるのか。量子論の謎は、神から人間への致死性の毒が入った贈り物ではないか、と思うことがある。」
２０世紀物理学の大難題を上手いレトリックでまとめたな（逃げたな）、というのが率直な読後感である。大澤は観測問題について何も語っていないに等しい。
この「はぐらかされ感」は、およそ３０年前に廣松渉『科学の危機と認識論（新装版）』（紀伊國屋書店、1977年）を読んだときに抱いた感覚と似ている。大澤の書評を読んだ翌日（日曜日）にたまたま本箱の整理をした。奥の方からひょっこり顔を出した本書を見て「ああ、そういえば」と思い出したのだ。
ボーアが率いたコペンハーゲン学派（量子力学の本家本流）はマッハ主義に近い現象一元論的な構制をとり、カント哲学の必須アイテムである物自体を前提としない。波動／粒子の相補性は理論的（数学的）に要請されるだけで、二重性の状態で実在しているわけではない。そもそも実在のありようを問うても無意味だ。量子力学は近代哲学が依拠する主観―客観図式の破綻を暴露している。しかし、コペンハーゲン学派は共同主観的存在構造を省察する次元に達しておらず‥‥（第７章 現代物理学の自然観と認識論）。
これ以上論じると、廣松哲学から抜け出せなくなってしまう。
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大澤も廣松も肝心なことを論じていない。そう考えた私は、ここ２ヶ月ほどを量子力学関係の読書に費やした。私事になるが、３月末で定年退職した私にとって、この時期は荷物の整理、後任への引継ぎ、コロナ感染対応、新しい職場での新しい業務に慣れること、等々、多忙を極めていた。本を読む時間はあまり確保できず遅々として進まなかったが、とても楽しい読書体験となった。
量子力学の最先端を知ろうと思い立ち、量子力学と一般相対論を統一する試みである量子重力理論の２流派？に関する概説書をまとめて読んだ。読んだ順は下記のとおり。
先ずは「ループ量子重力理論」のトップランナーであるカルロ・ロヴェッリの一連の本。『時間は存在しない』（原著2017年、ＮＨＫ出版2019年）、『世界は「関係」でできている―美しくも過激な量子論―』（原著2020年、ＮＨＫ出版2021年）、『すごい物理学入門』（原著2014年、河出文庫2020年）、『すごい物理学講義』（原著2014年、河出文庫2019年）。
「スピンの泡（スピンフォーム）」、「スピンの網（スピンネットワーク）」、時空間と量子場を生み出す「共変的量子場」など、理解を超えた概念が次から次へと現れてくる。ロヴェッリの文学的香りのする語り口は実に巧みで、難しい内容がわかったような気になってくる。どの本も読んで損はない。しかし、邦題はひどい。上記４冊の原題は、それぞれ『時間の順序に従って』、『ヘルゴラント島』、『７つの短い物理授業』、『現実は目に映る世界とは異なる』。前２つの邦題は許容範囲であるとしても（ヘルゴラント島はハイゼンベルグが行列力学を発想した北海の島）、後２つは編集者や邦訳者のセンスを疑う。「過激」や「すごい」を安直にタイトルに入れれば本は売れる。そう信じているとすれば、読者を馬鹿にしている。せっかくの本の価値が下がってしまい、著者に失礼ではないか。
続いて、「ループ量子重力理論」を一歩リードしているらしい「超弦（超ひも）理論」関連本を読む。世界的に有名な理論物理学者である大栗博司の三部作『重力とは何か―アインシュタインから超弦理論へ、宇宙の謎に迫る―』（幻冬舎新書、2012年）、『強い力と弱い力―ヒッグス粒子が宇宙にかけた魔法を解く―』（幻冬舎新書、2013年）、『大栗先生の超弦理論入門―９次元世界にあった究極の理論―』（講談社ブルーバックス、2013年）、素粒子物理学の生成期に「自発的対称性の破れ」、「量子色力学」、「ひも理論」などの独創的なアイデアを発表して「南部マジック」と称された理論物理学者の伝記、中嶋彰『早すぎた男 南部陽一郎物語―時代は彼に追いついたか―』（講談社ブルーバックス、2021年）。
自然界には電磁気力、強い力、弱い力、重力の４つの力が存在する。９次元空間（時間を加えると１０次元）の「ひもの分離と融合」によって電磁気力、強い力、弱い力をそれぞれ伝える光子（フォトン）、グルーオン、ウィークボソンが生じる。さらには、「閉じたひも（重力子）」が物体間で受け渡されることで重力が生じる。ロヴェッリの格調高い文章は望めないが、科学啓発書として堅実な４冊である。
本質的なところは全く理解できていない。何となくわかったのは下記の２点である。ニュートン的、あるいはカント的な無限に拡がる時空間は幻想であり、時空間はその都度生み出されるものであること。時空間を産出する何かを、「ループ量子重力理論」や「超弦理論」が理論的実験的に懸命に探索していること。
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量子重力理論の解説書ばかり読んでいて、肝心の量子力学そのものの勉強をしていないことに気づいた私は、定有堂書店の店頭にずっと置かれ気になっていた１冊の本を思い切って購入した。「思い切って」というのは、本文（注を除く）が400頁以上もある分厚さと、少し立ち読みしてその本格的な議論の展開に少し怖気づいたからだ。読了に２週間かかったが、実にすばらしい労作である。物理学者、哲学者、数学者、天文学者たちを巻き込む「観測問題」を巡る熱い議論を、４０名を超える当事者たちにインタビューして丁寧にまとめており、緊迫した議論の雰囲気がみごとに伝わってくる。ぜひ一読を薦めたい。（マンジット・クマール『量子革命―アインシュタインとボーア、偉大なる頭脳の激突―』原著2008年、新潮社2013年、新潮文庫2017年、によって1900年のプランクによる黒体放射法則を起点とする量子力学史を予め把握しておくと、「ふむふむ」とすいすい読めるかもしれない。）
その本、アダム・ベッカー『実在とは何か―量子 力学に残された究極の問い―』（原著2018年、筑摩書房2021年）の内容に触れる前に、最近の経済ニュースとシュレディンガーの猫を取り上げたい。
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量子力学って何だ、私たちの生活とは無関係だ、と思われる方は多いと思う。私は大学３年のときに理学部で講義を受けた。講義ノートは今でも保存してある。とても面白い内容だったが、やたら計算が難しくて閉口した。
あれから４０年経つ。当時はパソコンも携帯電話もなかった。量子力学が汎用化される途上であったが、今では量子技術（量子力学に基づくテクノロジー）がなければ私たちの生活は成り立たない。暗号通信、新薬開発、高機能材料の開発、金融情報の大量処理（フィンテック）等々。数キロもの位置の誤差を補正する相対性理論がなければカーナビが生まれなかったように、量子技術は現代社会に不可欠な基盤となっている。
経済安全保障の観点から、アメリカや中国は量子技術に対して莫大な資金を投じている。日本政府はようやく重い腰を上げて、2030年に量子技術関連産業をＧＤＰの１割、５０兆円規模にする「量子未来社会ビジョン」を策定した（４月１３日付朝日新聞、５月５日付日本海新聞）。
現在、各国がしのぎを削って開発している量子コンピュータは、現行の社会システムを根底から変える可能性を秘めている。2019年にグーグル社は、スーパーコンピュータが１万年かかる計算を200秒で解いたと発表した。量子コンピュータによって現行の認証システムは瞬時に解読される。解読不能な画期的な暗号理論と技術を開発できなければ、１０年後？にはスマホの利用も銀行での送金も不可能になる。（暗号技術については本稿第163回参照。）
シュレディンガーの猫について聞いたこと
がある人は多いかもしれない。
開閉式の観測窓がついた箱に一匹の猫を入れる。箱の中には、放射性金属、ガイガーカウンター、ハンマー、青酸化合物入りのガラス容器がある。金属が放射線を放出するとガイガーカウンターが反応し、カウンターに連動したハンマーがガラス容器を割る。青酸化合物によって猫は死ぬ。放射線の放出は確率的な現象であり、観測者が窓を開けて箱の中を見るまでは、猫は死んでいるか生きているかわからない。つまり、窓を開けるまでは「死んでいると同時に生きている状態」であって、箱を覗き込むことによってはじめて、猫は「生きている状態」か「死んでいる状態」のいずれかの状態を取ることになる。
もちろん「そんな馬鹿な話があるか」という常識的な反論は可能である。窓を開けなくとも、猫は「生きている」か「死んでいるか」のどちらかに決まっている。「生きている」と同時に「死んでいる」とは、排中律を否定する論理の破綻だ。
頭を冷やしてよく考えてみよう。猫の生死は誰かが観測するまでは決定していないのだから、窓を覗く前に箱の内部の状態を論じるのは無意味だ、観測不可能なものについてあれこれ論じるのは時間の無駄だ、という主張にそれなりの妥当性を認めることはできそうだ。どっちつかずの状態を許容してもよいではないか。
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シュレディンガーの猫の生死と波／粒子の相補性を同列に論じることに飛躍を感じるかもしれない。ようやく量子力学の存在論（哲学）の肝となる観測問題の入り口に到達したのだ。
厳密さを無視する表現を用いれば、原子の状態を知るには「ハイゼンベルグの行列力学」か「シュレディンガーの波動力学」を解けばいい。２つとも同じ結果を導くらしいが、私は行列力学を全く理解していない。最も構造の簡単な水素原子の波動方程式は、私のような出来の悪い学生でも解けるレベルであり、方程式の解によって電子軌道を導くことができる。ニュートンの運動方程式を用いて地球の公転軌道を解けば、粒子（質点）の位置、速度は確定する。それに対して、波動関数は電子の存在確率を示すだけである。ここでも電子は波／粒子の相補性を示すことになる。量子力学の基礎方程式が存在確率を解にもつことは、原子レベルのミクロな世界では、位置と速度（質量と速度の積である運動量）が同時に一義的に定まらないことを意味する。「位置の観測誤差」×「運動量の観測誤差」≧「プランク定数を４πで割った数」という「ハイゼンベルグの不確定原理」である。
ここまで来ても、波／粒子の相補性には納得いかない、と感じる方も多いだろう。納得する簡単な方法は、実際に行われた実験を追体験することである（大栗『重力とは何か』168―169頁）。
イギリスの科学誌『フィジックス・ワールド』が2002年に実施した読者アンケートで「科学史上もっとも美しい実験」に選ばれたのは、日立製作所の外村彰グループが行った「二重スリット」実験であった（ちなみに第２位は、ガリレオによるピサの斜塔で実際は行われたかどうかわからない落下実験）。電子を一個ずつ二重スリットに向かって発射すると、スリットの向こうの検出器には最初は粒子の痕跡がポツンポツンと映るが、最終的には干渉縞ができる。
大栗の本では簡単に触れられるだけであるこの実験についてもっと知りたい人は日立製作所ホームページの研究開発コーナーをご覧いただきたい。（「日立製作所 二重スリット実験」で検索できる。）
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シュレディンガーの波動関数は、電子がどの場所にどれくらいの確率で存在するかを示している。観測が行われると同時に波動関数は収縮する。観測されないときのみシュレディンガー方程式は成り立っている。観測によって電子を発見した場所以外の点では存在確率０％となり、観測すると瞬時にシュレディンガー方程式は成り立たなくなる。なぜ、波動は１点に収縮するのか。これが観測問題である。
観測問題は量子物理学者にとって安易に足を踏み入れてはならない領域だ。量子力学は役に立つ技術を生み出す。哲学的な観測問題に首を突っ込むことは無駄な労力だ。指導教官や先輩研究者は若手に向かって「黙って計算しろ！」と言うのが、研究者社会の風潮だった。
観測問題に取り組もうとしたある若手研究者は、ジョン・ベル（量子力学の妥当性を根本的に問う「ベルの定理（不等式）」で有名）に「あなたは終身ポストに就いていますか」と問われる。質問が理解できずに不思議そうにしていると、ベルは「終身在職権を有しない人には、このテーマに取り組むことを勧めません。このテーマは全く人気がなく、今後困難に直面するので」とアドバイスしたという（『実在とは何か』309頁）。
奇妙な疑問が数多く詰まったパンドラの箱が物理学の本流に横たわっているというのに、ほとんどの物理学者たちは見て見ぬふりをする。ベッカーは観測問題を次のようにまとめている。とてもわかりやすいので、少し長いが引用する。
「観測には観測者が必要なのだろうか？量子の世界は、そこに観客がいるかどうかに依存するのだろうか？意図的に波動関数を収縮させることのできる者がいるのだろうか？目覚めている間中、波動関数を意識していなければならないのだろうか？あるいは、昏睡状態の人は観測者になれるだろうか？生まれたばかりの赤ん坊はどうだろう？観測者は人間だけなのだろうか？それともチンパンジーでもいいのだろうか？「一匹のネズミが見守っているとき、それは宇宙の（量子）状態を変えるのだろうか？」と、アインシュタインはかつて問うた。ベルは、「世界の波動関数は、単細胞が一匹現れるまで、数億年のあいだジャンプするのを待っていたのだろうか？それとも、もうしばらくのあいだ、もっと高い能力を持つ観測者―博士号を持った―を待たねばならなかったのだろうか？」と問うた。」（３４頁）
コペンハーゲン学派の総帥ボーアは、著書や論文で波動関数の収縮に言及したことは一度もなく、波動関数の収縮は物理過程ではなく形式的な過程であり可視化すべきではない、と繰り返し戒めたという（101頁）。
ベッカーはボーアの見解を易しく言い換える。「「波動関数は単なる数学的手段、‥‥会計ソフトに過ぎない。それに、波動関数と私たちの周りの世界との結びつきなんて全然ない―それは、ただの便利な数学ツールだ。私たちが見ていないときに波動関数が違うふるまいをしていても別に少しも構わない、なぜなら、観測からつぎの観測までのあいだのことなど、まったくどうでもいいのだから。その間の物体の存在について話すことさえ非科学的だ」。妙な話だが、これが量子力学の正統とされる見解である―コペンハーゲン解釈の「安眠枕」だ。」（３５－３６頁）
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「語りえぬものについては沈黙しなければならない」というヴィトゲンシュタイン流の解釈に対抗する主な学説は３つある。ボームの「パイロット波」、エヴェレットの「他世界解釈」、そして「自発的収縮理論」である。
観測者がいようがいまいが、物体は明確な位置を常に持っている。粒子は波動の性質を持つ。しかし、粒子と波の相補性はない。粒子か波の「どちらか」ではなく「どちらも」である。粒子はパイロット波に乗り運動する。量子的世界は波動に導かれる粒子からなる。「パイロット波」解釈によれば、粒子である電子を発射して波の性質である干渉縞が現れる二重スリット実験には何ら問題はないことになる。
もっと奇妙なのは多世界解釈である。波動関数は収縮するのではなく分岐するだけだ。シュレディンガーの猫が入った箱と観測する私たちを含む波動関数は、「死んだ猫と割れた毒入り容器を見る状態」と「元気な猫と割れていない容器を見る状態」のいずれかに収縮するのではない。両方の状態に分裂するのだ。波動関数は分岐し続ける。「最終的には、宇宙全体に対する、ぐちゃぐちゃにもつれあった、複雑な単一の波動関数―普遍的（ユニバーサル）波動関数―ができる」（181頁）。エヴェレットの解釈は荒唐無稽のように思えるかもしれない。私がどんどんコピーされるなんて馬鹿げている。エヴェレットは答える。「そう考えるのはあなただけではない。普遍波動関数の各分岐にいるそれぞれの人間にとって、彼らの世界は唯一の世界のように思える。箱のなかには、あなたが見ている一匹の猫しかいなかったのと同様に。多数の世界がほんとうに存在しているにもかかわらず、ただ一つの世界しか存在しないように見えるという、この事実こそ多世界解釈の特徴なのだ。」（同上）
実験結果を非常に正しく予測し続け、量子技術によって社会に貢献している量子力学を、ボームやエヴェレットのように解釈しなおす必要はどこにあるのか。自発的収縮理論は一つの理論ではない。関連するいくつかの理論が集まり、観測問題を解決するために量子力学を微修正する。
自発的収縮理論では、観測とは無関係に波動関数がランダムに収縮する。仮に、１つの粒子に対する波動関数が平均して１０億年後まで収縮しないとしても、私たちの周囲にある物体は１０億×１０億×１千万倍の個数の粒子からできており、そのうちの１つの粒子は百万分の１秒に１回は収縮する。波動関数の収縮に観測者の関与は全く必要ない。自発的収縮理論にとって、観測問題は存在しえない。
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ここまで根気強く拙稿におつきあいしていただいた皆さんは、コパンハーゲン学派の解釈を支持して「黙って計算しろ！」の姿勢を貫くべきだと考えるだろうか。それとも、哲学的な解釈を惹き起こす観測問題を疎かにしていては、量子力学のブレイクスルーを成し遂げることができず、ひいては量子技術のパラダイム転換を惹き起こすことができなくなる、と考えるだろうか。
かつてアインシュタインは「私たちが科学と呼ぶものの唯一の目的は、何が存在するかを特定することだ」と述べたという（248頁）。
ループ量子重力理論のスピンネットワークや超弦理論の閉じたひも（重力子）は数学的に要請されたにすぎず、実在とは無関係である。
「実在とは何か」。この究極の問いが、アインシュタインの信念に反して似非問題となりつつあるのか。私の思考はこの地点で停止し、先へ進めないのである。
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