シュレーディンガーの猫とは：量子力学の思考実験をわかりやすく解説

シュレーディンガーの猫を図解と日常例でやさしく解説。量子力学の基本とコペンハーゲン解釈の矛盾を初心者でも腑に落ちるように紹介。

シュレーディンガーの猫は、量子物理学に関する思考実験である。エルヴィン・シュレーディンガーは、量子物理学のコペンハーゲン解釈に反発して、1935年にこれを提案しました。

シュレーディンガーは書いている。

一つは、非常にばかげたケースを設定することもできます。ガイガーカウンターの中には、放射性物質の小さなビットがあり、非常に小さいので、おそらく1時間の間に原子の1つだけが崩壊するだけでなく、同じ確率で、おそらく何も崩壊しません。もし人がこのシステム全体を1時間それ自身に任せていた場合、人は、その間に原子が崩壊していない場合、猫はまだ生きていると言うでしょう。システム全体のpsi機能は、その中に生きている猫と死んだ猫（表現は失礼）が等分に混ざっているか、中傷されていることによってこれを表現するだろう。

このような場合に典型的なのは、原子領域に限定されていた不確定性が、巨視的な不確定性へと変化し、それが直接観察によって解決されることである。そのため、現実を表現するための「ぼやけたモデル」を甘く受け入れることはできない。それ自体は、不明確なものや矛盾したものを具現化するものではないだろう。手ぶれやピンボケの写真と、雲や霧の土手のスナップショットとの間には違いがある。

-SalescapeZs_2009 ASBERSENErwin Schrödinger, Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik (The present situation in the quantum mechanics), Naturwissenschaften
ジョン・D・トリマー訳『アメリカ哲学協会紀要

簡単に言うと、シュレーディンガーは、猫と猫を殺す可能性のあるもの（放射性原子）を箱の中に入れて封をした場合、箱を開けるまでは猫が死んでいるのか生きているのかわからないので、箱を開けるまでは（ある意味で）猫は「死んでいる」と「生きている」の両方を持っていると述べています。これは、科学理論がどのように機能するかを表すために使われています。どんな科学的理論も、その理論が正しいか間違っているかは、その理論がテストされて証明されるまで誰にもわかりません。

物理学は、古典物理学と量子力学の2つのタイプに分けることができます。古典物理学は、ボールを落としたときになぜボールが跳ね返るのかなど、ほとんどの物理的相互作用を説明します。また、ボールを落としたときに何が起こるかなど、物理的な相互作用を予測するのにも使えます。しかし、光がどのようにして電気に変わるのかなど、物理学では説明できない物理的相互作用もあります。量子力学は、物理学者がなぜこのようなことが起こるのかを説明する方法を提供しています。

コペンハーゲン解釈は、原子の最小の部分（原子以下の粒子）に何が起こっているのかを、原子を見ずに（観察したり、測定したりせずに）説明するために使われています。数学は、粒子に何かが起こる可能性がどれだけ高いかを示すために使われます。粒子は、ある時間にある場所に50%の確率で存在するか、別の時間にある場所に50%の確率で存在するかのように表現することができます。これは、チャート（または波形）で表現することもできます。これは量子物理学の計算をするときに非常に便利です。

しかし、粒子がどこにあるかを 100% 確信する唯一の方法は、それを観測することです。粒子を観測するまでは、コペンハーゲン解釈では、粒子はそこにあり、そこにはないとしています。粒子を観察して初めて、粒子があるかどうかがわかるのです。

これは量子物理学では意味がありますが、古典（実世界）物理学では意味がありません。

シュレーディンガーは、このような量子力学の考え方が、不条理な状況につながることを示したかったのです。彼は思考実験を考案しました

猫は外界と隔絶された部屋に置かれています。

放射性物質の崩壊量をカウントするガイガーカウンターと、少しだけ放射性物質が入っています。

1時間以内に、放射性物質の原子の1つが崩壊するかもしれないし（物質が安定していないために分解するかもしれない）、しないかもしれない。

材料が壊れると原子粒子が放出されてガイガーカウンターに当たり、毒ガスが放出されて猫が死んでしまいます。

問題は、時間の終わりに、猫は生きているのか死んでいるのか、ということだ。シュレーディンガーは、コペンハーゲン解釈によると、ドアが閉じている限り、猫は死んで生きていると言います。扉を開けるまでは知る術がない。しかし、ドアを開けることによって、人は実験を妨害している。人と実験は、お互いに参照しながら記述しなければならない。

実験を見ることで、その人が実験に影響を与えているので、正解は出ないかもしれません。

思考実験は、大きな物体に対して量子状態を考えることの愚かさを示すために、シュレーディンガーによって考案されました。また、ポップカルチャーでも何度も参照されています。

何を示そうとしたのか（簡潔なまとめ）

• シュレーディンガーの目的は、「量子力学の原理をそのまま巨視的な世界に当てはめたときに生じる直感に反する結果」を示すことです。特に「観測されるまで状態が不確定である」という考え方が、われわれの日常直観とどう衝突するかを強調しました。
• この思考実験は、実際に猫が生死の混在状態になるという主張ではなく、量子状態の「重ね合わせ（superposition）」や「測定問題（measurement problem）」についての議論を促すための道具です。

重要な概念（やさしい解説）

• 波動関数（ψ）と重ね合わせ：量子系は複数の可能性を同時に記述する波動関数で表されます。猫の例では「生きている状態」と「死んでいる状態」が重ね合わせになっていると表現されます。
• 波動関数の収縮（collapse）：観測を行うと、波動関数はある一つの結果に収束すると言われます。どの解釈を採るかによって、この「収縮」が何を意味するかが変わります。
• 測定問題：観測者（や測定装置）によっていつ・どのように確定状態が生じるのかは、量子力学の解釈上の難問です。シュレーディンガーの猫はこの問題を可視化します。
• デコヒーレンス：現実の環境との相互作用により、重ね合わせ状態の位相関係が失われ、古典的な確率の混合に見えるようになる現象です。デコヒーレンスは「なぜ巨視的には重ね合わせが見えないか」を説明しますが、個々の観測結果がどのように1つに決まるか（選択問題）は説明しません。

代表的な解釈と回答例

• コペンハーゲン解釈：観測行為によって波動関数が実際に収縮し、特定の結果が得られるとする伝統的な考え方。観測の意味と境界が哲学的に議論されます。
• 多世界解釈（Many‑Worlds）：波動関数は決して収縮せず、観測により宇宙が分岐してそれぞれの結果が実際に発現する、と考えます。この場合「猫は生きている世界」と「猫が死んでいる世界」の両方が存在します。
• 客観的崩壊理論（例：GRW）：ある条件で波動関数が確率的に自発崩壊すると仮定し、巨視的な重ね合わせを自然に排除するモデルです。
• 関係主義的・情報論的見方：状態は観測者との関係としてしか定義されない、すなわち「誰にとっての状態か」に依存するとする立場もあります。

実験と現実世界への影響

シュレーディンガーの猫そのものを使った実験は現実的ではありませんが、電子や光子だけでなく、分子や超伝導回路のようにより大きな系でも量子的な重ね合わせや干渉が観測されてきました。これらの実験は量子力学の基本原理の有効性を示す一方で、デコヒーレンスの速さが巨視的系で非常に大きいため、日常は古典的に見えることも示しています。

よくある誤解

• 「猫が文字どおり同時に生きて死んでいる」わけではありません。重ね合わせは量子的状態の表現であり、古典的な生死の両立を意味するものではありません。
• 観測者が「意識」を持つ必要がある、という主張は必須ではありません。多くの議論は「測定装置や環境との相互作用」が十分だと考えます。

まとめ

シュレーディンガーの猫は、量子力学の基本的な問題――特に「いつ、どのようにして可能性が現実の一つに決まるのか（測定問題）」――を直感的に考えさせるための思考実験です。実験自体は比喩であり、議論の目的は理論の解釈と古典世界との接続点を明確にすることにあります。現在の実験・理論研究は、重ね合わせやデコヒーレンスの実態を明らかにしつつあり、解釈の多様性は哲学的・物理学的な深い問いを投げかけ続けています。

質問と回答

Q:シュレーディンガーの猫とは何ですか?

Q: コペンハーゲン解釈は、粒子についてどのように言っているのですか?

Q: シュレーディンガーはこの概念をどのように実証したのですか?

Q: このテキストで言及されている2種類の物理学とは何ですか?

Q:何かを観察することは、実験にどのような影響を与えるのでしょうか?

Q: 「サイファンクション」とは何のことですか?

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