重ね合わせはあるが、干渉はできない
【量子力学】重ね合わせはあるが、干渉はできない
「重ね合わせは存在するが、干渉できない」という表現は、全体系と部分系を区別すれば意味のある表現。
気づいたこと
人間も物質でできている以上、原理的には量子力学で記述されるが、空気・光・熱・体内の分子など周囲との相互作用が非常に強いため、巨視的な重ね合わせは非常に速くデコヒーレンスすると理解した。 「人間には重ね合わせがない」のではなく、環境との相互作用が強いために干渉をほぼ観測できないだけだという整理が腑に落ちた。
「一つに見える」と「本当に一つ」は違うということが今回いちばん重要な点だった。 全体の量子状態には複数の成分が数学的に存在すると記述できても、デコヒーレンスによってそれらの成分がほとんど干渉しなくなると、自分はそのうちの一つの成分だけを経験しているように見える。 数学的な構造と、自分が経験する主観的・局所的な見え方は、区別して考える必要があると気づいた。
密度行列で見ると、対角成分は各状態の確率、非対角成分がAとBの間の量子的な干渉可能性を表していて、デコヒーレンスが進むと非対角成分が急速に小さくなっていく。 つまり、重ね合わせの成分自体が数学的に消滅するわけではなく、環境とのもつれによって成分同士の干渉が実質的に利用できなくなる、ということだと理解した。 「状態が確定した」ことと「干渉がなくなった」ことは同じ意味ではなく、デコヒーレンスが説明しているのは主に後者だという区別も、今日かなり混乱しやすかったが重要な整理だった。
量子力学でいう「波」も、水面の波のように物質的に空間へ広がっているという意味ではなく、重ね合わせ・位相・干渉という数学的な性質を波と共通して持っているからそう呼ばれているのだと分かった。 成分間の相対位相が、干渉が強め合うか打ち消し合うかを決める情報だという理解も、今回はっきりした。
多世界解釈は、デコヒーレンスによって互いに干渉しなくなった成分を、それぞれ「世界」として読む解釈であって、それ自体が量子力学の数式やデコヒーレンスによって証明された事実ではないと分かった。 「パラレルワールドが数学的に証明された」と言うのは適切ではなく、量子力学の数式とデコヒーレンスが記述するのは、互いに干渉しにくい複数の成分までで、それを独立した実在世界として読むかどうかは解釈の問題として残る。
まとまったこと
- 重ね合わせの成分には相対位相があり、それが保たれていると成分間で干渉が起こる
- 環境との相互作用によって量子系と環境がもつれ、それが進むとデコヒーレンスが起こって干渉の観測が極めて難しくなる
- 巨視的な物体ではデコヒーレンスが非常に速いため、世界を「確定した物体」の集合として認識する
- ただし、デコヒーレンスそのものは「一つの結果だけが実在する」ことを証明するものではない
- 多世界解釈は、デコヒーレンスした成分を「分岐した世界」と解釈する読み方の一つであって、複数の世界の実在性は数式だけから一意に決まるわけではない
まだ言葉になっていないこと
- デコヒーレンスと波動関数の収縮は具体的に何が違うのか
- 「重ね合わせ」と「混合状態」は数学的にどう違うのか
- なぜ人間や机では量子干渉がほとんど見えないのか、デコヒーレンスの速度は何によって決まるのか
- 多世界解釈で「自分の分岐」は数学的にどう表現されるのか
- 宇宙全体を一つの量子状態として扱うと、なぜ「物体」「人間」「観測者」という部分系が現れるのか
関連ノート
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元の対話
- 量子力学：重ね合わせ・もつれ・デコヒーレンスと「世界」の見え方