思考実験は、その誕生以来、現代物理学のパンとバターでした。ガリレオは思考実験を使用して、すべての物体は質量に関係なく同じ速度で落下すると主張し、アイザック ニュートンは思考実験を使用して空間の絶対的な性質を主張し、マクスウェルは思考実験を使用して熱力学の性質を主張し、アインシュタインの元の論文特殊相対性理論を導入したのは、純粋に思考実験でした。
量子力学には、量子力学の特定の解釈における弱点や奇妙さを指摘することを目的とした思考実験の長い歴史があります。量子力学における思考実験のこの歴史への最新の追加は、量子力学の一般的な理解が正しくないと主張することによって、この伝統に追加されます.
Nature に掲載された新しい論文で、物理学者のダニエラ・フラウヒンガーとレナート・レナーは、量子力学の正統な解釈の矛盾を指摘するための思考実験を提示しています。著者によって提示された特定の思考実験は、1961 年に Eugene Wigner によって与えられたものを修正したものであり、それ自体が悪名高いシュレディンガーの猫の思考実験を修正したものです。 Frauchinger &Renato のセットアップでは、2 人の科学者が 2 人の友人を測定し、それぞれが孤立した量子システムで測定を行っています。彼らの主張は、一言で言えば、量子力学の正統な解釈が正しければ、外部の2人の観察者は実験系の状態について矛盾した結論に達するだろうということです。物理学では矛盾は許されません。したがって、正統な解釈には何か問題があるはずであり、別の解釈に置き換える必要があります。
シュレーディンガーの猫、ウィグナーの友達、QM の奇妙さ
1935年、エルヴィン・シュレーディンガーは次のような思考実験を発表しました。猫が入った箱を持っているとします。猫と一緒に箱の中には、シアン化物のバイアルと、バイアルを壊すために装備されたハンマーがあり、ガスを放出して猫を殺します。バイアル/ハンマー装置自体がガイガー カウンターに配線されており、セシウム同位体の放射性崩壊を検出するように設定されています。原子がベータ粒子を吐き出すと、ハンマーがバイアルを壊して猫を殺します。原子がベータ粒子を吐き出さなければ何も起こらず、猫は生き続けます。あなたは箱を放っておいて、猫が生きているか死んでいるか疑問に思いながら、1 時間後に戻ってきます。
コペンハーゲン解釈としても知られる QM の正統な解釈によると、答えは実際にはどちらでもない . QM の数学的フレームワークでは、上記の設定が 重ね合わせ にあると説明されています。 、古典的な状態の混合:原子が崩壊して猫が死んでいる状態と、原子が崩壊せずに猫が生きている状態。実際に箱を開けて見る前に、猫は生きているか死んでいるかの重ね合わせ状態にあります。実際の観測が行われると、重ね合わせは「崩壊」し、システムは 1 つの明確な状態を選択します。したがって、コペンハーゲンの解釈では、量子システムを観察すると、そのシステムは複数の可能な状態の重ね合わせから 1 つの明確な状態に崩壊することになります。 (興味深いことに、シュレーディンガー自身が、彼の仮定の状況が、正統な解釈がばかげていることを証明したと考えていたことに注意してください)。
1961 年、Eugene Wigner は Schrödinger の gedankenexperiment の修正を提案しました。ウィグナーの思考実験では、箱の中の猫を、実験室で量子システム S を測定している仲間の科学者に置き換えます。実験室の外では、実験室のシステム全体を観察しているウィグナー自身がいます。彼の友人とシステム S. 研究室の友人が電子を測定し、スピンが -1/2 であることを記録します。研究室の友人の視点から見ると、システム S の波動関数が崩壊し、彼に明確な測定値が与えられました。しかし、実験室の外にいるウィグナーの視点から見ると、彼の友人と系 S の両方を含む実験室全体は、まだ 2 つの状態の重ね合わせにあります。 -1/2、そして電子がスピン 1/2 で測定され、彼の友人が 1/2 を観測したもの。実験室の友人が彼に実験の結果を伝えた後で初めて、友人と S のシステム全体が明確な状態に崩壊します。しかし、研究室の友人の視点から見ると、電子は彼が測定した時点ですでに一定の状態になっています。ウィグナーの思考実験は、QM が現実のすべてのスケールに適用できないことを証明していると多くの人が主張しています。
Frauchinger &Renner による Wigner の思考実験への修正は、コペンハーゲン解釈の原則から完全な矛盾を導き出すことによって、正統な解釈の矛盾を強調することを意図しています。基本的に、この思考実験は、QM によって指示された規則に従って、それぞれが異なる情報を持つ 4 人の個人がどのように矛盾をもたらすかを示しています。ペアの設定では、F と F の 2 人の友人がいます。 ラボ L と L の各内部 測定を行い、科学者 W と W によってそれぞれ観察されます それぞれ。 F はコインを投げ、その結果に応じて、粒子 S を分極させて特定のスピンを持たせます。次に、このスピンの結果を F に伝えます。 彼女は量子力学の知識を使って、F のコイントスの結果を決定します。これまでのところ、F と F のように良好です コイントスの結果について合意に達しています.
さて、W と W 画像に入ります。 F と F によって行われた最初の測定に応じて 、W、および W LとLを観察します 特に重ね合わせとして。最初のコイントスの結果と F から F に送信されたメッセージに応じて 、W と W という状況が発生します。 QM の数学的規則によれば、最初のコイントスの結果を完全に確信することができます。唯一の問題は、W と W その結果が表か裏かについて意見が分かれます。つまり、正統な解釈のルールでは、W と W が必要です。 どちらも、相互に排他的な結果が発生することを 100% 確信しており、もしあったとしても矛盾が生じます。
Frauchinger と Renner は、QM の「単一世界」の解釈を仮定した場合にのみ矛盾が生じることを指摘しています。 1つの結果だけが確実に発生する可能性がある唯一の現実があること。以前の論文で、Frauchinger と Renner は同様の方針に沿って、QM の単一世界の解釈は必然的に矛盾を生み出すことになると主張しました。 QM の「多世界」解釈によれば、波動関数の崩壊はありません。ある変数のすべての可能な値に対して、その結果が実際に発生するユニバーサル波動関数の分岐があります。したがって、多世界解釈が真である場合、上記で導き出された明白な矛盾は、結局のところ、真の矛盾ではありません。 W と W それぞれが波動関数の異なる分岐、異なる結果が発生した分岐を記述しているため、観測は一貫しています。 Frauchinger と Renner は、彼らの思考実験のような考察は、多世界解釈を採用することを私たちに強いていると主張します。それは、正統な見解で明らかな矛盾を調整できる唯一の解釈だからです。
QM の多世界解釈は、近年多くの人気を得ていますが、当然のことながら、科学界では依然として懸念を持って扱われています。万能波動関数の分岐の性質を参照することで、可能な実験結果を説明することができるため、多世界解釈の前提全体は実験的テストに影響されないようです。しかし、Frauchinger と Renner によって与えられたような厳密な論理的およびアプリオリな分析は、現実の痛みが真に矛盾していることについて、多世界解釈の一種の証拠を与えるようです。科学者が信じたくないことです。
