『ヘルゴラント』（2021年）は、量子力学を夢想的かつ詩的に探求する一書です。この薄い本は、絶対的な確実性がまったく存在しない奇妙な亜原子の世界を描いています。
この要約で学べること：最新の量子物理学を覗く
1925年の夏、花粉症の季節。ヴェルナー・ハイゼンベルクはくしゃみが止まらなかった。23歳の物理学者は花粉症の症状を和らげるため、北海に浮かぶ小さな岩だらけの島、ヘルゴラントへ逃れた。ここでようやく自由に呼吸をしながら、彼は原子について深く考え始める。その洞察は物理学と我々の現実理解に革命をもたらすことになる。
物理学者カルロ・ロヴェッリの巧みな語り口を借りて、この要約では量子力学の発展の舞台裏にまつわる魅力的な物語をお届けします。その過程で、ハイゼンベルクの理論が、奇妙で直感に反する亜原子粒子の世界について何を明らかにしたのか、そして彼の洞察が現在も科学者たちを悩ませているどのような謎を残したのかを知ることができるでしょう。この要約では以下のポイントを学べます。
- 花粉症がいかにして量子力学の発見につながったのか
- 物体が本当は物体ではない時とは
- なぜ多元宇宙は必要ないのか
ハイゼンベルクが量子物理学と呼ばれる新たな複雑な分野を切り開いた
20世紀初頭は、若く野心的な物理学者にとって刺激的な時代だった。デンマークの物理学者ニールス・ボーアは最近、奇妙な現象を発見していた。原子を加熱すると、特定の周波数の光を放つというのだ。このパターンは、原子核の周りを飛び回る亜原子粒子である電子が、特定の距離の軌道だけを回っていることを示唆していた。
ハイゼンベルクの頭にあった疑問は「なぜか？」だった。なぜ電子は特定の軌道に閉じ込められているのか？ そして、なぜ電子は特定の量子化された方法で軌道間を飛び移るのか？ 要するに、彼は量子跳躍のメカニズムを理解したかったのだ。ここでのポイントは、ハイゼンベルクが量子物理学という複雑な新分野を切り開いたということです。 当時の問題は、科学者たちが電子の軌道も、軌道間の量子跳躍も説明できなかったことにある。
粒子の運動を記述するために、古典物理学は位置、速度、エネルギーといった変数に離散的な数値を使っていた。しかし、電子の場合、これらの変数を決定するのは難しかった。科学者たちは、電子が軌道間を飛び移るときにこれらの変数がどう変化するかしか観測できなかったのだ。この謎を回避するため、ハイゼンベルクは実際に観測可能なもの、すなわち、この跳躍の際に放出される光の振動数と振幅に注目した。彼は古典的な物理法則を作り直し、それぞれの変数を、起こりうるすべての変化を表す表（行列）で置き換えた。数学は極めて複雑だったが、結果はボーアの観測と完全に一致した。
一方、別の物理学者エルヴィン・シュレーディンガーは異なるアプローチをとった。彼は電子を、原子核の周りを回る単純な粒子としてではなく、そのまわりに伝播する電磁波として考えた。波動方程式というより簡単な数学を用いて、彼もまたボーアの観測結果を正確に再現できた。だが、問題があった。波は広がっているが、検出器で観測されると、電子は明らかに点状の、つまり粒子である。どうやって、この相容れない二つのモデルを、同じ結果をもたらしながら調和させればいいのだろうか？
第三の思想家、マックス・ボルンがその答えを出した。彼は、ハイゼンベルクの行列計算が電子の観測結果を説明するのに対し、シュレーディンガーの波動計算はその観測結果が得られる確率を与える、と主張した。この新しい「量子物理学」においては、電子は外部の観測者に見られるまでは波として存在し、観測された瞬間に点へと収縮するようだ。これが新たな厄介な疑問を生んだ：なぜそうなるのか？
重ね合わせは現実の本質について難しい問いを突きつける
量子物理学のややこしい世界を描く古典的な思考実験がある。箱の中の猫と、奇妙な装置を使ったものだ。その装置は作動すると強力な鎮静剤を放出し、猫を眠らせる。ここで、その装置が原子の崩壊のような特定の量子現象によってのみ作動するとしよう。
さらに、シュレーディンガーの方程式が、ある時点でその現象が起こる確率を二分の一と示すとする。すると、箱を開けるまでは、現象が起こったかどうかはわからない。猫は眠っていると同時に起きてもいる状態になる。これが「量子の重ね合わせ」と呼ばれ、二つの矛盾する性質が、ある意味で同時に存在している状態だ。これは理解するのが非常に難しい概念で、物理学者も哲学者も何十年もその仕組みを説明しようと苦心してきた。ここでのポイントは、重ね合わせが現実の本質について難しい問いを突きつけるということです。
「シュレーディンガーの猫」として知られるこの思考実験は、量子物理学の中心的な謎を表している。重ね合わせはありそうにないと思われるが、科学者たちは実際にそれが起こることを実証してきた。例えば、一つの光子が、まったく別々の二つの経路をとったかのように振る舞うのだ！ この奇妙な現実については、解釈とも呼ばれる競合する説明がある。一つの解釈が「多世界解釈」だ。このモデルでは、猫が眠っていてかつ起きているという考えを文字通りに受け取る。
つまり、トリガーが作動する確率が二分の一ならば、両方の結果が起こる。ただ、異なる時間線で起こるのである。あなたという観測者も、それらの時間線のそれぞれに存在している。実際、無限の量子現象があるのだから、時間線あるいは世界も無限にあることになる。もう一つの解釈である「隠れた変数理論」は、シュレーディンガーの波動と量子粒子そのものを切り離すことで、無限の世界を回避する。この考えでは、シュレーディンガーの予測する確率は、我々がまだ理解していない現実のあり方で実在しているが、観測可能な物理的現実は一つの形態しか取らない。つまり、眠っている可能性のある猫は、たとえ我々が起きている猫しか見ていなくても、この世界に存在しているのだ。
さらに、三つ目の解釈である「量子ベイズ主義（QBism）」はまったく異なる。この理論によれば、重ね合わせもシュレーディンガーの確率も単なる情報であり、それも不完全な情報に過ぎない。観測者が箱を開けて猫を見るとき、彼らはより多くの情報を得る。このように、観測者が一つ一つ観察することで現実を作り上げている。ただし、ここで疑問が残る：その観測者とは一体誰なのか？
関係的解釈は、すべてが流動する世界を示す
素人の見方では、量子力学において重ね合わせは観測者が来て「実際の」様子を目にするまで存在する。だから電子は、科学者が電子検出器を持って現れ、観測によってその実際の位置を特定するまでは、不確定な確率の雲の中を飛び回っている。しかし、何が科学者をそんなに特別にしているのか？ 彼女に観測者という特権的な地位を与える何かが彼女にあるのだろうか？
白衣なのか、高度な技術装置なのか、それとも視覚や思考、意識を持つ感覚ある存在としての在り方なのか？ 実は、そのどれでもない。量子理論の関係的解釈では、観測とは伝統的な意味での「見ること」ではない。実際、あらゆる種類の相互作用が観測なのだ。ここでのポイントは、関係的解釈がすべてが流動する世界を提示しているということです。 量子理論において、「観測」という言葉は少々誤解を招く。
それは物理学の自然界と、何らかの形でその世界の外から観測する特別な主体（通常は人間）との分離を暗示している。しかし、量子物理学の関係的解釈はこの区別を打ち壊す。このモデルでは、宇宙のありとあらゆる存在は、観測されるものであると同時に観測者でもある。そう、宇宙は驚くほど多様なもので満ちている。光子（光の粒子）や虹から、猫や時計、銀河に至るまで。これらのもの（時に物理システムと呼ばれる）は、孤立して存在しているわけではない。それらは常に相互作用しているのだ。
そして実際に、物理システムにその性質を与えているのは、これらの様々な相互作用なのである。もし何かが一切相互作用を持たなければ、それはいかなる意味でも存在しないだろう。このように、すべての物理的性質（時に情報と呼ばれる）は関係的なのだ。つまり、それらは流動的であり、状況に応じて現れたり消えたりする。ある意味、我々はすでにそれが真実であることを知っている。速度のような性質は、二つの物体の関係を通してのみ現れる。
あなたがボートの上を歩くとき、あなたの速度はボートの甲板との関係で測るか、水面との関係で測るかによって異なる。世界を、性質を生み出す無限の関係のネットワークとして想像することは、過激には聞こえないかもしれないが、実際には過激なのだ。シュレーディンガーの猫に戻ろう。箱の中にいる間、猫はトリガーとの関係に応じて眠ってもいるし起きてもいるが、外にいるあなたにとっては、どちらでもない。どちらも真実なのは、異なる関係が異なる現実を作り出すからだ。それは、どの関係的な出来事、すなわち参照枠を考慮しているかに依存するだけのことだ。
関係モデルは量子もつれのプロセスを解明する
二つの光子を想像してみてほしい。どちらも、赤でもあり青でもあるという量子の重ね合わせ状態にある。シュレーディンガーの猫のように、観測するまではどちらの決定的な状態もわからない。だが、各光子には二つの選択肢があるため、観測時にそれぞれの色が現れる確率は50パーセントだ。この光子のうち一つをウィーンに、もう一つを北京に送ろう。
ウィーンの光子を覗いてみると、それは赤か青のどちらかとして現れる。この例では赤としよう。さて、北京の光子を観測すると、約半分の確率でウィーンの光子と一致するはずだ。ところが、ここからが奇妙なのだ。もしウィーンの光子が赤ならば、北京の光子も毎回必ず赤になる。この一見魔法のような結びつきが「量子もつれ」と呼ばれる。
ここでのポイントは、関係モデルが量子もつれのプロセスを解きほぐすということです。 量子もつれは物理学で最も奇妙な現象の一つだ。二つの光子がもつれていると、たとえ遠く離れていても、それらの性質は相関する、すなわち一致する。もちろん、一対の赤い手袋も空間的に相関している――引き離しても、両方とも赤いままだ。しかし、赤と青の重ね合わせにある一対の光子は、観測されるまでどちらの色でもない。では、どのようにして一方が他方と一致するのか？
第一の光子が何らかの信号を第二の光子に送るのかもしれない。だが、もつれは、その信号が光速を破らなければならないほど離れた距離でも観測される。あるいは、その光子の対が、引き離される前に色を決めているのかもしれない。この説明も「ベルの不等式」と呼ばれる複雑な数式によって否定されている。では、いったい何が起きているのか？ 関係モデルが手がかりを与えるかもしれない。
思い出してほしい。このモデルでは、性質は相互作用においてのみ存在する。ウィーンと北京の光子を同時に観測できる存在はないのだから、それぞれの光子は他方との関係においては本当の性質を持っていない。ウィーンの光子の赤い色は、ウィーンの観測者との関係においてのみ存在する。だから、ウィーンにいる人々にとって、北京の光子、そして実際のところ北京のすべては、量子の重ね合わせにとどまっている。相互の観測が行われるまでは、いかなる比較も意味をなさない。しかし、これらの遠く離れた出来事も関係を結ぶことができる。
ウィーンの科学者は北京の同僚に電話をかけることができる。この相互作用すなわち観測が、ウィーンの光子の赤い色という情報を伝え、それによって、もつれた光子が赤として現れるようにさせるのだ。だから、距離を超えた神秘的な結びつきではなく、こうした出来事を結びつけ、それらに性質を与えている関係の網の目が存在しているのである。
哲学と科学は深く結びついている
エルンスト・マッハはおそらく、あなたが聞いたことのない最も影響力のある思想家だろう。科学者であると同時に哲学者でもあった彼は、直感に反する洞察と挑発的な思考の才で、多くの分野にわたり崇拝者と批判者の両方を得た。ロシアの革命家ウラジーミル・レーニンはマッハの著作を痛烈に批判した。別の革命家アレクサンドル・ボグダーノフは熱心に擁護した。高名な小説家ローベルト・ムージルは大作『特性のない男』にマッハの思想を取り入れた。そしてアインシュタインもハイゼンベルクも、マッハの考えが自分たちのブレイクスルーに重要な影響を与えたと認めている。では、政治、芸術、物理学の世界にこれほどの衝撃を与えたマッハの過激な考えとは何だったのか？ 彼は、世界は感覚から成っていると提唱したのだが、これは関係的な量子理論と奇妙に共鳴する考えである。ここでのポイントは、哲学と科学は深く結びついているということです。
18世紀から19世紀にかけて、科学は「機械論」と呼ばれる哲学的前提に大きく支配されていた。機械論の最も基本的なレベルでは、現実は少し時計の仕組みに似て動くと論じられた。宇宙は「空間」と呼ばれる広大な空っぽの容器であり、あらゆる現象はこの空間において厳格に相互作用する物質から成っている、と。エルンスト・マッハにとって、このモデルは便利ではあるが限定的だった。彼は機械論をあまりに形而上学的、つまり抽象的すぎると考えた。そして彼は、科学は実際に観測可能なもの、つまり要素が相互作用するときに生じる感覚に焦点を当てるべきだと主張した。これに聞き覚えがあるなら、まさにこの考えがハイゼンベルクに電子の振る舞いを研究する着想を与え、量子理論への扉を開いたからだ。
しかしマッハの考えはさらに深く届いている。彼の現実の概念では、物理的対象は機械的に相互作用する独立した要素なのではなく、むしろそうした相互作用こそが世界を作り出しているのだ。そして観測者もこのシステムから分離されてはいない。彼らもまた、相互作用の感覚を通してしか世界を知ることができない。この考えもまた、性質がその文脈から独立して存在しないという量子物理学の関係的解釈を先取りしているように思える。これは、マッハが量子力学を預言者的に理解していたと言いたいのではない。
むしろ、マッハの洞察は科学と哲学の間の貴重な相互作用を示しているのだ。もしハイゼンベルクがマッハを無視し、機械論の教義に固執していたならば、決定的な発見に到達しなかったかもしれない。同様に、現代の哲学者たちは、最新の科学的理解と格闘することで、現実についての自らの考えを研ぎ澄まし、洗練させることができる。では、これを意識のような難しいテーマに当てはめるとどうなるのか？ 次のセクションで検討しよう。
関係と相関を考慮することで、心の仕組みに光を当てられる
インターネットを少しクリックすれば、量子の概念が数え切れないほど独創的な方法で適用（というより悪用）されているのを目にするだろう。グルたちは量子スピリチュアリズムを語り、詐欺医師たちは量子ヒーリングを宣伝し、テクノロジー起業家たちはあらゆる種類の量子ナンセンスを称賛する。量子物理学に内在する奇妙さが、想像力をかき立てる性向があるように思える。だが、量子理論は人生の大きな問いに光を当てることができるのだろうか？ 愛を説明し、美や真理の起源を解明し、存在に意味を与えることができるのか？ そう簡単にはいかない。しかし、関係的な量子理論の概念を意識の本質のような問題に適用することで、探求と調査のための新たな道が開かれるかもしれない。ここでのポイントは、関係と相関を考慮することで、心の仕組みに光を当てられるということです。
一般に、哲学は人間の心について三つの主要なモデルを提供している。一つは二元論で、心は身体や自然から分離した、ほとんど霊的な実体として存在する。一つは観念論で、心が現実のすべてを包み込み、説明する。そして素朴唯物論では、精神的現象は単に粗野な物理的プロセスの結果でしかない。関係的量子理論は、これとは少し異なる心の説明を提供できる。それを理解するには、意味について考えるとよい。人間の認知にとって、意味は極めて重要だ。私たちは標識を見て、言葉を読み、考えを思い浮かべる――これらが意味を持つのは、現実世界の何か外部のものを指示し、意味しているからだ。
ドイツの哲学者フランツ・ブレンターノはこのプロセスを「志向性」と呼び、私たちがお互いにコミュニケーションし、現実をうまく渡り歩く方法である。しかし、志向性はどのようにして生じるのか？ 一つの答えは、関連する相対的情報を通じてである。相対的情報とは、二つのシステムが関係するときに生じる相関のことだ。つまり、落ちてくる岩を見つけることは、外部の対象である岩と、内部の状態であるあなたの脳がその落下を認識することとを相関させることで、相対的情報を生み出す。この情報は、それがあなたの身体の反応（つまり、道を避けること）を決定するために「関連性」を持つようになる。
このシナリオでは、外部と内部の関係によって生み出された情報が志向性を生む：落ちてくる岩の光景は危険を意味し、あなたはそれを避けるために動く。もちろん、この説明は様々なシステム間で起こる物理的プロセスを述べているに過ぎない。それは、あなたが岩をよけるという個人的な経験については何も語っていない。このような主観的経験がどのようにして現れるのかを説明するのは、ずっと難しい。これは意識の「ハードプロブレム」と呼ばれ、依然として議論の開かれたテーマである。
量子物理学を学ぶことで、世界を新たな方法で見ることができる
あなたが猫を見るとき、実際には何を見ているのだろうか？ 伝統的な視覚のモデルでは、知覚とは情報を吸収することだとされる。光子が猫の形、毛皮、ひげにぶつかってあなたの目に入る。網膜が光を信号に処理し、脳に送る。最後に、ニューロンがその信号を解釈してかわいい子猫のイメージを作り出す。だが、それは厳密には正しくない。実際には、あなたの脳は目が何を見るべきかを予測しているのだ。目は依然として光を集めるが、この既存のイメージと矛盾する信号だけを送る。私たちが「予期」していることと「検出」したことの間のこれらの差異こそが、私たちが外界を理解するために使う重要な情報なのだ。ここでのポイントは、量子物理学を学ぶことで、世界を新たな方法で見ることができるということです。
この、脳が主要な主導的役割を果たす視覚の第二の説明は、「投射意識モデル」と呼ばれる概念に由来する。この理論では、意識は、脳がその先入観や心的表象を、感覚が収集したデータと照らし合わせて絶えず修正していくことから生まれる。このように、私たちの現実の解釈は、常に更新され進化する「確認された幻覚」なのである。ある意味で、科学もまったく同じ原理で機能している。人類は世界の仕組みについて一つのビジョンを夢見て、それから経験と実験を通じて、現実がこれらのモデルから逸脱し、それに逆らうあらゆる方法を見つけ出すのだ。もちろん、私たちの脳がこのプロセスをほんの一瞬で実行するのに対し、科学ははるかにゆっくりと行う。
テストと修正のサイクルは世代を超えた共同作業であり、量子物理学の理論――関係的解釈を含む――は、この進行中のプロセスの最新の成果に過ぎない。現在のところ、それらは私たちが観測し、地図に描き、測定できるものに基づいて、現実の最も正確な描像を与えてくれている。もっとも、それは非常に奇妙な描像ではあるが。関係的量子物理学は、静的で安定した「もの」が存在しない世界を提示する。空間の中で相互作用する具体的な実体の代わりに、現実のすべては、出来事が集まっては消える相互作用の網、終わりのない泡立ちなのである。
私たちも、この関係の渦の外に立っているわけではない。私たちのアイデンティティや主観性さえも、この進行中の相関のざわめきの産物なのだ。このように世界を見ることは奇妙に、時にはサイケデリックにさえ思えるかもしれないが、今のところ、この幻覚は確認されている。ならば、それが次にどこへ導いてくれるのかを見てみよう。
まとめ
この要約の核心は次の通りです。20世紀の幕開け、花粉症に悩むヴェルナー・ハイゼンベルクを含む若手物理学者たちの一団が、古典的な物理学の理解を解体し始めました。彼らは、古い決定論的で機械的な宇宙モデルを、不確実性と確率によって定義される量子モデルへと置き換えたのです。量子物理学の関係的解釈は、この量子現実が不安定な関係の網で構成されていると論じます――すなわち、何が現実で真実かは、どのような関係が生じているかに応じて変わるのです。
