コペンハーゲン解釈

コペンハーゲン解釈とは

コペンハーゲン解釈は、量子力学の解釈の中でも特に重要な位置を占めるものです。この解釈は、量子力学の創始者であるニールス・ボーアやヴェルナー・ハイゼンベルクらが中心となって提唱したとされていますが、実際には彼らの間でも解釈に違いが見られます。また、ジョン・フォン・ノイマンが定式化した量子力学の数学的な枠組みに沿うという側面も持ち合わせています。

この解釈の名前は、ボーアが研究を行っていたデンマークのコペンハーゲンにある研究所に由来します。1955年にハイゼンベルクが初めてこの言葉を使ったとされており、当時は量子力学には統一された解釈が存在するという認識が広まりました。しかし、実際にはコペンハーゲンの研究者たちの間でも解釈にはかなりの不一致があったとされています。

コペンハーゲン解釈は、量子力学の計算手法を重視する立場、つまり「黙って計算しろ」というような道具主義的な解釈としても用いられることがあります。また、ボーアやハイゼンベルクらの解釈を「コペンハーゲン解釈」、ノイマン流の解釈を「標準解釈」と区別して呼ぶこともあります。

ノイマンによる定式化

フォン・ノイマンは1932年に量子力学の定式化を行い、以下の点を明らかにしました。

量子系と観測者（観測装置）を分離する。その境界は任意に設定できる。
観測されていない量子系の状態はシュレーディンガー方程式に従って変化する。
観測によって波動関数が収縮し、特定の結果が得られる。
どの結果が得られるかは確率的であり、ボルンの規則に従う。

このノイマンの定式化は現代においても通用しており、ハイゼンベルクの考えもこれに近いとされています。しかし、ボーアとハイゼンベルクの間には、解釈の違いがあります。

例えば、量子系と観測者の境界について、ハイゼンベルクは古典物理学で記述できる範囲内であれば自由に動かせると考えましたが、ボーアは実験装置の仕様によって固定されると考えました。また、ボーアは古典物理学の概念が境界の両側で意味を持つと主張しました。

ノイマンは、物理現象と精神は互いに影響しないとする物心並行論の立場から、境界はどこにでも置けるべきだと論じました。一方、ハイゼンベルクは、観測者は記録する機能のみを持ち、主観的な要素を自然の記述に持ち込んではならないとしました。

ボーアは、量子系と観測者を分離するという考えを認めませんでした。また、波動関数の収縮という考えを初めて導入したのはハイゼンベルクですが、ボーアはこれについて言及したことはありません。ボーアは、客観的に見なせる測定装置と対象の相互作用を重視し、その不可逆性を強調しました。ボーアは、相補性原理を解釈の中心に据えましたが、この原理も曖昧な部分が多く、解釈は統一されていません。

コペンハーゲン解釈の特徴

コペンハーゲン解釈では、以下の点が合意事項として採用されています。

観測前の量子は波動関数に従って空間的な広がりを持つ。
観測時には、量子は一点に収束する。
観測される確率は、波動関数の二乗に比例する（ボルンの規則）。

ただし、この解釈は、波動関数で表される波が「実在」するかどうかについては答えていません。

また、コペンハーゲン解釈における「観測」という言葉は、一般的な意味とは異なり、量子系として扱う範囲に依存します。そのため、定義が曖昧なまま「観測」という言葉が使われることも少なくありません。

量子力学では、状態を計算するために密度行列や状態ベクトルが用いられます。コペンハーゲン解釈では、観測による波動関数の収縮は、射影公準という公理として扱われ、その背後にある物理的なメカニズムは問われません。フォン・ノイマンによって、シュレーディンガー方程式から波動関数の収縮を導出することは不可能であると証明されています。

量子デコヒーレンスによって状態間の干渉性が失われることは示せますが、それだけでは特定の固有状態を選ぶことはできないため、波動関数の収縮を説明するためには射影仮説が必要となります。

他の解釈

コペンハーゲン解釈以外にも、量子力学の解釈は多数存在します。

多世界解釈: シュレーディンガー方程式から予測される重ね合わせ状態がすべて実現し、世界が分岐していくとする解釈。波束の収縮を回避できる。
フォン・ノイマン＝ウィグナー解釈: 人間の意識が量子の状態を決定するという解釈。理論的裏付けや実験的な検証がない。
ド・ブロイ=ボーム解釈: 「パイロット波」が粒子の運動に影響を与えているとして、量子力学を古典力学の枠内で説明しようとする解釈。非局所的長距離相関が問題となり、現在では下火。
確率過程量子化: 古典論の粒子の酔歩によって波動性を説明する立場。波動関数は粒子の運動経路を確率的に表現するものと解釈する。
客観的収縮理論: シュレーディンガー方程式を修正することで、波動関数の収縮が客観的に起きるとする解釈。自発的収縮理論やペンローズ解釈がある。

コペンハーゲン解釈は、量子力学の理解を深める上で重要な役割を果たしていますが、未だに多くの議論の的となっています。様々な解釈が存在することで、量子力学に対する理解がより深まることが期待されます。

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