Wigner's Friend Paradox Revisited

宇宙を、粒子たちが役割を演じる究極の、目に見えない舞台だと想像してみてください。量子力学の世界では、この舞台のルールは非常に奇妙です。レフトフィールドかライトフィールドのどちらかにいる野球のボールとは異なり、量子粒子は「重ね合わせ」の状態、つまり誰かが見るまでは両方のフィールドに同時に存在しているような状態になることができます。この「見る」という行為は「測定」と呼ばれます。標準的なルールのゲームでは、見るという行為が粒子に一つの場所を選ばせます。これは「波の関数の収縮（ウェーブファンクション・コラップス）」としばしば呼ばれるプロセスです。しかし、ここからが厄介なところです。もし見ている人が密閉された部屋の中にいて、別の誰かが外側から見守っていたらどうなるでしょうか？粒子は、中の人が見た瞬間に場所を確定させるのでしょうか、それとも外の人が見るまで確定しないのでしょうか？「ウィグナーの友人」として知られるこのパズルは、物理学者たちを数十年にわたって悩ませてきました。なぜなら、それは二人の人間が同じ現実を見ているにもかかわらず、全く異なる、矛盾した真実を目にすることを示唆しているように見えるからです。もし科学が、単一の共有された現実を記述するものであるべきならば、これは重大な問題です。

ピーター・ライヒェルトとマルクス・エンツによる新しい論文は、この結び目を解く方法を提案しています。彼らは、宇宙が誰が見ているかによって変わるのではなく、人によって「何を知っているか」は異なっても、宇宙は全員にとって単一の客観的な舞台であり続けるような、標準的なルールを微調整したバージョンを提案しています。宇宙が誰が見ているかに応じて心変わりするのではなく、測定が行われた瞬間に宇宙が選択を行うのだと彼らは示唆しています。部屋の中の「友人」は確定した結果を目にしますが、まだ覗き見ていない外側の「ウィグナー」は、その結果についての不完全な情報を持っているだけであり、異なる現実を持っているわけではありません。波の関数の収縮を、単なる私たちの知識の更新ではなく、システム自体に起こる「実在のイベント」として扱うことで、著者たちは矛盾を解消できると考えています。彼らは、もしこれらの修正されたルールに従えば、数学的に矛盾なく計算が成立し、さらに特定の結末が起こる確率は他の理論とはわずかに異なることを予測しており、将来的にどちらが正しいかをテストする方法を提供しています。

友人と観測者の物語

ライヒェルトとエンツが何を行っているのかを理解するために、「量子かくれんぼ」のゲームをしてみましょう。

この古典的なバージョンのゲームでは、友人を（Fと呼びましょう）密閉された、音の通らない隔離された実験室の中に閉じ込めていると想像してください。中では、彼女は「表」と「裏」の両方の状態が同時に存在する魔法のような状態にある、回転するコインを持っています。彼女はコインを投げ、その結果を見ます。彼女の意識の中では、コインは間違いなく「表」（または「裏」）に落ちています。彼女は真実を知っています。

次に、ウィグナー（Wと呼びましょう）が実験室の外に立っているところを想像してください。彼はドアを開けてもいませんし、中を覗いてもいません。古いタイプの量子ルールによれば、ウィグニアがまだ見ていないため、実験室全体（友人を含む）は依然として「友人が表を見る」状態と「友人が裏を見る」状態が同時に存在する、魔法のような重ね合わせの状態にあります。ウィグナーにとって、友人は決断を下せていません。しかし、友人にとって、自分はすでに決着がついているのです。これがパラドックスです。同じ状況を見ている二人の人間が、二つの異なる現実を見ているのです。

ライヒェルトとエンツは、「ちょっと待ってください。ルールを少しだけ変えてみましょう」と言います。

彼らは、このゲームを修正するために3つの主要なアイデアを提案しています：

1. 宇宙は一つの大きな映画である： 宇宙にはただ一つの真の姿があり、それは誰が見ているかによって変わりません。それはスクリーンで再生されている映画のようなものです。あなたが3Dグラスをかけていようが、後方の席に座っていようが、映画の内容は変わりません。
2. 「スナップ（弾けるような変化）」はどこでも起こる： 測定が行われるとき（例えば、友人がコインを見たとき）、宇宙は即座に確定した状態へと「スナップ」します。これは、たとえ友人が密閉された部屋の中にいて、他に誰もその事実を知らないとしても起こります。友人の観察が、まるで実在のイベントであるかのように、波の関数を収縮させるのです。
3. 知識は現実とは異なるものである： これが最も重要な部分です。著者たちは、「実際に起きていること（客観的な状態）」と「私たちが知っていること（私たちの知識）」を明確に区別します。中の友人はコインが「表」であることを知っています。外のウィグナーはまだ知りません。しかし、ウィグナーの「知識の欠如」は、コインがまだ空中で回転していることを意味するのではなく、単にウィグナーが推測している状態であることを意味します。彼は正解するかどうかは50/50の確率で推測していますが、コインはすでにテーブルの上に置かれているのです。

拡張されたゲーム：二人の友人と二人の観測者

この論文は、他の科学者たち（フラウチガーとレナー）によって提案された、より複雑なバージョンのゲームを見たときに、さらに面白くなります。このバージョンでは、二つの実験室、二人の友人（FとF'）、そして二人の観測者（WとW'）が登場します。これは、友人たちが互いに秘密のメモを渡し合う、二重のかくれんぼのようなゲームです。

古い、パラドックスを含むバージョンのゲームでは、もし全員が量子力学のルールに従うならば、最終的に全員がセットアップには同意するものの、その結果については論理が破綻するような形で意見が食い違うということが、数学的に示唆されていました。それは、全員にとってピースが完璧に組み合わさっているはずなのに、見えている絵が不可能であるというパズルのようでした。

ライヒェルトとエンツはこの複雑なシナリオを、彼らの新しいルールに当てはめて検証します。彼らは実験室の「真の状態」と、観測者の「知識」をステップごとに追跡していきます。

• ステップ1： 最初の友人が量子コインを投げます。宇宙は結果（表または裏）へとスナップします。友人はその結果を知ります。他の観測者はまだ知らないため、彼らは自分が持っている知識に基づいた確率分布（推測）を持ちます。
• ステップ2： コインの結果によって、二番目の粒子がどのように準備されるかが決まります。二番目の友人がこの粒子を測定します。再び、宇宙はスナップします。二番目の友人はその結果を知ります。他の人々は推測を更新します。
• ステップ3： 外側の観測者（WとW'）が、実験室全体に対して特別な測定を行います。

ここに魔法のトリックがあります。著者たちが、実験室が（中の友人が測定を行った際に）より早い段階で波の関数が収縮したと仮定しているため、数学的な結果はパラドックスを含むバージョンとは異なります。パラドックスを含むバージョンでは、外側の観測者は実験室がまだ「ぼやけた重ね合わせ状態」にあると想定しており、それが矛盾につながります。しかし、この新しいバージョンでは、実験室はすでに確定した状態にあります（たとえ観測者がその内容を知らないとしても）。

彼らが数値を算出すると、特定の「不可能な」組み合わせの結果が得られる確率は 1/4（または25%）になります。古いパラドックス分析では、その確率は 1/12（約8.3%）と計算されていました。

なぜこれが重要なのか

著者たちは、宇宙の謎を永遠に解明したと主張しているわけではありません。私たちは、波の関数がどのように、あるいはなぜ収縮するのかを、まだ正確には分かっていないことを認めています。彼らは、この「収縮」を、より深い理論が見つかるまでの、現時点での「プレースホルダー（一時的な置き換え）」として扱っています。しかし、このルールを用いることで、ウィグナーの友人のパラドックスがもたらす恐ろしい矛盾が消滅することを示しています。

彼らは、宇宙が「目覚めて」現実を決定するために、意識を持つ観測者を必要としているわけではないと主張しています。測定が行われ、状態は確定し、外側の観測者に変化するのは、その状態に関する彼らの「知識」だけなのです。

最も素晴らしい点は、これは単なる哲学的な議論ではないということです。彼らの新しいルールは、特定の結末に対して異なる確率（1/12ではなく1/4）を予測するため、このアイデアは実際にテスト可能です。もし将来の実験が、十分な精度でこれらの特定の結末を測定できるならば、宇宙が「友人が見た時に収縮するのか」、それとも「外側の観測者を待つのか」を証明できるかもしれません。

ですから、次に「誰もいない森の中で木が倒れたとき、音はするのか」と疑問に思ったときは、この論文を思い出してください。おそらく木は音を立てており（宇宙はスナップしており）、もしあなたがそれを聞く場所にいないのであれば、単にその音が何であったかを推測するしかないのです。そして、ライヒェルトとエンズのおかげで、私たちはその推測が当たっていたかどうかを確認する方法を、間もなく手にすることができるかもしれません。