多世界解釈

量子力学の多世界解釈：無数の宇宙への分岐

量子力学における観測問題に対する解釈の一つとして、多世界解釈（Many-Worlds Interpretation、MWI）があります。この解釈は、宇宙の波動関数を現実のものとして捉え、波束の収縮という現象を否定する点で、コペンハーゲン解釈などの他の解釈と大きく異なります。代わりに、多世界解釈では、重ね合わせ状態が干渉性を失うことで、複数の世界に分岐していくという概念を導入します。

多世界解釈の核心：波動関数と世界の分岐

量子力学において、系の状態は波動関数によって記述されます。シュレディンガー方程式に従って時間発展するこの波動関数は、重ね合わせ状態をとることがあります。コペンハーゲン解釈では、観測行為によって波動関数が収縮し、特定の状態が確率的に選択されると考えます。しかし、多世界解釈では、波動関数の収縮は起こりません。シュレディンガー方程式の時間発展に従い、重ね合わせ状態はそのまま残り、そして、多粒子系の相互作用によって、各状態は干渉性を失い（デコヒーレンス）、それらが独立した世界に分岐していくと説明します。

つまり、多世界解釈は、波動関数が示すあらゆる可能性が、それぞれ別々の世界として実在すると主張する、一種の実在主義的な解釈です。これに対してコペンハーゲン解釈は、観測結果の予測に焦点を当てた実証主義的なアプローチをとると言えます。

決定論と非決定論：観測者の視点

シュレディンガー方程式の時間発展という観点から見れば、多世界解釈は決定論的です。初期状態から、分岐する全ての世界を含む量子状態は一意的に決定されます。しかし、各世界にいる観測者にとって、測定の結果は確率的にしか予測できません。異なる測定結果が得られる世界に分岐するからです。これは、多世界解釈におけるボルンの確率則の解釈にも関わる複雑な問題です。

多世界解釈における世界の分岐は、非局所的（宇宙全体が瞬時に分岐）に記述することも、局所的（光円錐内でのみ進行）に記述することもできます。後者の解釈であれば、EPRパラドックスのような非局所性を回避できます。

多世界解釈の歴史：エヴェレットとデコヒーレンス

多世界解釈の起源は、ヒュー・エヴェレット3世が1957年に発表した博士論文にあります。エヴェレットは、宇宙論への応用を考慮すれば、観測者も含めた宇宙全体に量子力学を適用すべきだと主張し、宇宙全体を一つの波動関数で記述する必要性を訴えました。しかし、彼の論文は当初はほとんど注目を集めず、その後10年ほど忘れられた存在となりました。

多世界解釈という用語を作り、その実在性を明確に主張したのは、ブライス・ドウィットです。1970年代には、デコヒーレンス理論が登場し、世界の分岐をより理論的に説明することが可能になりました。ハインツ・ディーター・ツェーは、デコヒーレンスがエヴェレット解釈の自然な帰結であると示唆しました。

近年では、特に量子重力理論や量子宇宙論の分野で、多世界解釈が支持を集めています。これらの分野は、ミクロな世界だけでなく、時空の大局的な振る舞いに関心を持つためです。

エヴェレットの原論文と現代の解釈

エヴェレットは、量子もつれと一貫した歴史を前提とした、射影仮説（波動関数の収縮）を含まない量子論の新しい定式化を試みました。彼の論文では、量子もつれにより相関した多数の分枝を相対状態として記述し、それらの分枝はお互いに干渉せずに並存すると主張しています。

現代の多世界解釈は、エヴェレットの初期のアイデアを、デコヒーレンス理論などを用いて洗練させたものです。しかしながら、干渉項の消滅に関する問題や、多世界そのものの存在論的な問題など、依然として議論の余地は残されています。

多世界解釈の高次理論への適用と批判

多世界解釈は、量子力学を拡張した場の[[量子論]]にも適用可能です。量子重力理論に対しても、多世界解釈を用いる試みがなされています。一部の物理学者は、量子重力理論の研究者たちが暗黙のうちに多世界解釈を用いていると指摘しています。

一方で、多世界解釈に対する批判も存在します。観測できない無数の世界を考えることは論理の無駄であるという批判や、実験的検証の困難さに関する批判などがあります。また、重力による波束収縮説を提唱するペンローズなどは、多世界解釈が重力を考慮していない点を欠点として指摘しています。

類似の解釈とSFへの影響

多世界解釈と類似した解釈として、無矛盾歴史解釈（一貫した歴史解釈）があります。これは、状態の収縮を否定し、観測者が存在しない場合にも適用できるという点で多世界解釈に似ていますが、実現するのは1つの世界のみです。

多世界解釈は、SF作品にも多大な影響を与えてきました。平行世界やタイムトラベルといったテーマにおいて、多世界解釈はしばしば重要な要素として用いられています。

まとめ

多世界解釈は、量子力学における最も興味深く、かつ論争の的となっている解釈の一つです。その大胆な主張と、未解明な部分も残されていますが、量子力学の理解を深める上で重要な役割を果たしていることは間違いありません。今後も、多世界解釈に関する研究は継続し、その謎が解き明かされていくと考えられます。

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