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運命~その2

前回は、ニュートン力学が成り立つ世界では、決定論も成り立つらしい、という話でした。

ある時点での宇宙の状態が分かれば、その後に起こる事は決まっている、という事。言い換えると、宇宙の始まりの状態さえ決まれば、宇宙で起こる全ての出来事はすでに決まってしまう、という事にもなります。見方によっては虚無的な世界観ですね。


でも実は、決定論は成り立たないんじゃないか、と物理学者が考えるようになったのが、20世紀の初頭。量子力学の発見による変化でした。

量子力学については、このブログでは多分一度もちゃんと話していないんですが、ポイントを絞って頑張ってみます。


最初から結論を言ってしまうと、原子などのミクロの世界では、1つの粒子がどう振舞うのかを予測する事は出来ないらしい、という実験結果がどんどん出てきたんです。

その1つは、粒子の崩壊。不安定な物質が、他の物質に変化するプロセスです。崩壊する物質(放射性物質)は沢山ありますが、例として中性子の話をします。


中性子は、陽子と一緒に原子核を作り上げている粒子ですが、単独で置いておくと崩壊してしまう不安定な物質です。放っておくと、陽子、電子、反ニュートリノの3つの粒子に変化してしまうんです。崩壊するまでにどれくらい時間がかかるかというと、平均寿命が約15分。

この平均寿命が15分というのは、15分経つと一斉にみんな崩壊する、という事でしょうか?違います。

中性子の数の変化をグラフにすると、下のようになります。
exponential decay

これは、指数関数のグラフ。銀行に預けたお金が利子で増えるのと同じです(時間が逆なだけ)。銀行にお金を預けると、1月に何%か、特定の割合で増えていきます。中性子の数も、一定の時間経った後で測ってみると、何%か、一定の割合で減っていく、という事。

グラフでも分かるのは、約10分経ったところで中性子の数は半分になって、また10分経つと、そのまた半分の4分の1になっている事。半減期が約10分、という言い方をします。


沢山の中性子を一度に観測すると、上のようなデータが出て来るわけですが、1つ1つの中性子を見た場合にはどうでしょう?

1つの中性子が、10分経った後に崩壊している確率は約50%です。でも、ある特定の中性子が崩壊するかどうかを予測出来るかのかどうか、が決定論の話をする際には問題になります。

そしてこれについて言えるのは、10分経った後に崩壊する中性子と、崩壊しない中性子を区別する方法は、知られていない、という事。ここまで分かっている限り、崩壊する中性子としない中性子に、性質の違いというものはないんです。


要するに、中性子の崩壊について予測できるのは、それが起こる確率だけ。1つの中性子を観測しているとして、その中性子が最初の1分で崩壊する可能性もあれば、何時間も崩壊しない可能性もあって、実験前には、それぞれの出来事が起こる確率しか分からないんです。


この発見からすると、決定論は間違っている、と考えられます。同じ状態の物質を作っても、その後の出来事が変わってしまうわけですから。

宇宙の始まりの状態が分かっても、その後の出来事について分かるのは、それが起こる確率だけ。決定論に代わって、確率論が正しいとされるようになったんです。

アインシュタインの、「神はサイコロを振らない」という言葉は聞いたことがあるかも知れません。これは、この確率論的な見方に対する反発です。彼は、崩壊する中性子と崩壊しない中性子には、今のところ観測されていないけれど違いがあるんじゃないか、と考えていたんですね。物理法則は決定論的だと信じていたんです。


さてこの話、もうひと捻りあるんです。次回は、実は量子力学も決定論的なのでは、と言う話。説明できるんだろうか…

テーマ : 物理学
ジャンル : 学問・文化・芸術

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アシュリー

Author:アシュリー
カリフォルニア州バークリー在住、元スポーツジャンキーのアシュリーです。

今観るスポーツは、アーセナル(サッカー)とグリズリーズ(バスケ)、あとテニス。

専門の物理ネタ以外にも、色々書いていくつもりです。

Twitterをハンドル名Inoueianでやっています。

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