【二重スリット実験】天才科学者が予見した“量子と意識の相互作用”
今回は最近続いた“二重スリット実験 (Double-slit experiment, *1)”の一つの区切りとなります。
これまでの記事をおさらいすると、
「光の二重性 (Duality) を巡る波動説と粒子説の歴史(*2)」
において、西暦1800年頃まで「光は粒子なのか？波動なのか？」という論争が行われており「どちらが真実なのか？」という視点で考えられていました。
そして次の記事
「光の波動・粒子論争から量子論へ：“実在性の不確かさ”(*3)」
に記されたように、1900年頃になりアインシュタインによる“光量子仮説 (*4)”やド・ブロイによる“物質波：物質＝波である(*5)”という概念が出てきて、「光は粒子でも波動でもある（＝どちらも真実）」という説が有力となってきます。
ここで“光の二重性 (Duality)” を示す興味深い実験を紹介します。
以前も紹介しましたが、“１個ずつ光子を発射し、二重スリットを通過させたら波として振る舞うか、それとも粒子として振る舞うか？”という実験を撮影した動画です (*6)
この動画では文字通り“光子をこれ以上小さくできない光量子１個”にして二重スリットに向けて放出し、通過後に検出器(Detector) によって１個の点として検知されます (Figure 1)。
実験開始時は光子が１個ずつ軌跡を残しますが、まだ全体的な傾向は見られません (Figure 2A)。しかし25分ほど経過すると、光子の軌跡に濃い部分と薄い部分が出現してきます (Figure 2B)。さらに時間が経つとFigure 2Cに示すように、はっきりと縞模様が出現してきました。
この実験結果は、「光子が１個ずつスリットを通過した。結果は干渉縞が現れた。」ということになります。
これはFigure 3に示すように、「スクリーンに干渉縞ができるのは二つのスリットを波が通過したとき、互いの干渉によって縞模様ができる (Figure 3A, C)」ということであり、「二重スリットを通過した時、（１個の光子だったはずなのに）光は２つのスリットから同時に出た波の性質を表していた」ということになります。
もし光子が終始、粒子の性質を表していたなら「光子は干渉することなくスリットを通過し、スクリーンにはスリットと同じ本数の線しか現れない (Figure 3B)」という結果になるはずです。
・二重スリット実験では何が起こっているのか？
この実験の現象を整理しましょう (Figure 4)。
1. Figure 4a: １個の光子 (photon) が放出される（粒子の性質）。
2. Figure 4b: 二重スリットを通過する（波の性質）
3. Figure 4c: スクリーンに点として検出される（粒子の性質）
・不思議な点（１）：１個の光子は２つのスリットを同時に通過できるのか？
この部分は「１個の光子が２つのスリットを両方を通過した」と初めて聞くと実に奇妙な現象です。しかし、これまでの記事を読んできた読者ならもう理解していると思います。ご存知の通り、「光は二重性を持ち、波の性質が現れているときは広がりをもって存在できるため同時に２カ所を通過することができる」と言えます。
これはシュレーディンガーの波動方程式 (*7)に表されるようにある空間的座標に存在する確率として示されるため、「スリットを通過する時点では“１個の光子”ではなかった（だから２カ所同時に通過できた）」ということが起こっていました。
・不思議な点（２）：“粒子”と“波”は何を起因として切り替わるのか？
Figure 4を見ると「粒子として発射され、波としてスリットを通過し、粒子として検出器に位置が記録される」という流れで光子は「粒子→波動→粒子」と変化していることがわかります。
ここで過去の思考実験を振り返ると、アインシュタインがボーアに対して「スリットのどちらを通ったか検出できる機構を組み込めば、光の波の性質を保持させたまま（干渉縞が出たまま）光の軌道を観察できるのではないか？」と疑問を投げかけます（Figure 5左, *8, *9)。
しかし疑問を受けた量子力学の第一人者の一人であったボーアは「いや、スリットのどちらを通過したか観測できる機構を組み込んだ場合、光の干渉縞は消えるだろう」と予測しました。
分子レベルの二重スリット実験が可能となった2015年にこの思考実験の検証が行われ、結果はボーアの予測通りで「観測できる場合は干渉縞が消失した（＝波でなく粒子になった）」ということが実証されました (Figure 5右 *10, *11)。
つまり、「どちらのスリットを通過したか観測する」ことによって「波動性が消え、粒子の性質が現れた」ということになります。
・では「観測」とは何を指すのか？
これまでの数々の実験結果を見ると「量子はどちらを通ったか分かるような状態になった瞬間（あるいはそれに先んじて）波から粒子に変化する」という結論に至っています(*15, *16, *17)。
言い換えると「観測する」という行為自体が「不確定な波動状態（波動関数によって確率的に存在している状態）から確定的な状態（一つの座標に存在し物理量が決定する状態）に変化する引き金になっている」ということになります。
こうなると、「観測された（光子が波から粒子に変わる）」とは「観測機器が設置された」ことか、「検知器が信号を感知した」ことか、「結果がモニターに表示された」ことか、「実験者がモニターの結果を見た」ことか、どの時点で光は「観測された」と判定するのか、が大きな疑問になります。
・天才科学者フォン＝ノイマン の考察
ここで紹介するのが科学者フォン＝ノイマン (John von Neumann, 1903-1957, *18)です。彼は物理学、数学、工学だけでなく経済学や心理学など多岐にわたって先駆的な研究論文を残した人物であり、ご存知の人も多いかもしれませんが IQ300とも言われる天才科学者です。
ノイマンは量子力学にも精通しており体系的にまとめた著書を残しています (*19, *20)。その中でやはり“観測(Measurement)”について量子力学では非常に重大な影響を及ぼす問題と認識していました。
その著書の中でもノイマンは「どこまでを“観測”とするかは非常に幅広く、任意の部分に境界線を引くことが可能である」としています。
つまり、「検出器が信号を受け取ることも標的量子との相互作用を起こす」だろうし、「モニターに映し出されること」も観測であり、「それを観測者が見る＝水晶体やレンズとの相互作用を起こす」ことになり、「網膜に映る＝網膜細胞に刺激が生じる＝相互作用を起こす」ことになると論じています (Figure 6右)。さらには、「目に映った刺激は神経細胞を介して脳細胞へと伝えられ、脳細胞とも相互作用を起こす」、それは「観測した人間の脳細胞の活動を引き起こす」ことになり、「観測者の意識も含めたあらゆる知覚」も“観測”に含めることができる、としています。
・心身並行説 (Psycho-physical parallelism)
ここで物理学と精神世界の関係性を示す言葉で“心身並行説 (Psycho-physical parallelism, *21, *22)という用語があります。これは「心は心、物理現象は物理現象でそれぞれ交わらない（並行説）」ということを意味しています。
もちろん他にも「相互作用説（心と物質世界は相互作用する説）*23」や「随伴現象説（意識は物質の状態に付随して現れているという説）*24」など諸説あります。その中で「意識と物理現象は関係ない」というこの説はノイマンの時代も現代においても多数派であると考えられます。
・ノイマンの疑問と懸念
上に書いたような心身並行説 (Psycho-physical parallelism)が通説とされる中で、ノイマンは量子力学の考察を深める中で“観測者による主観的知覚を物理世界の現実的な現象として記述できてしまう (Figure 7A)”と述べています。
これは、「客観的な現実を観測していたとしても、それを認識して知覚した観測者の主観でもある」「全ての客観的事実は全て観測された主観である」「それは本当に現実世界で起こっていることなのか、それとも観察者がただそう知覚しただけなのか」という哲学的な解釈もできてしまうことを述べています。
Figure 7Bの部分では、「客観的実験データ（例えば温度計の水銀の目盛り）でもその情報は観察者の目を通して網膜や視神経を通って脳細胞で信号が処理される」ことを記述しており、「どんな正確な事実であったとしても、その情報処理行程は観測者の主観によって行われている」としています。
Figure 7C/Dでは「量子レベルになると観測者の目や脳細胞までも実験対象と相互作用を起こすものになってしまう」「ここにもし対象物と観測者の相互作用を完全に境界線で分離することができない場合、心身並行説（心と物質は相互作用しない説）が破綻してしまう恐れがある」という懸念を述べています。
これは整理するとFigure 8のようになりますが、「二重スリットでどちらを通るかわかる機構をセットする」「スリットをモニタリングする」「計測を画像化する」ような観測が量子と相互作用を起こすことは想像しやすいです。
しかしそれだけでなく、「観測データを目で見る／視神経で信号が伝達する／脳細胞が刺激される」ことが「現実世界の量子と相互作用してしまう」ことになる。そうなると「脳細胞の活性化／精神の活動／対象物に意識を向けること」すらも相互作用を引き起こしてしまう。つまり「心と物質が相互作用してしまう」という当時の常識の逆転に戸惑いを表しています。
こうしてみるとFigure 4における二重スリット実験を改めて見てみると、「光子が１個になるように観測され意図された」ので“粒子”として発射されますが、「二重スリットのどちらを通るか観測していない」ため“波”として通過し、「検知器で位置が観測された」ためにまた“粒子”として映った（全体的な分布は波のパターン）と言えます。
ここは後に発展する量子もつれ (Quantum entanglement *25)の概念にもつながります。量子同士が時間や空間を超えて相互作用することが知られていますが、まだ全てが解明されているわけではありません。量子もつれに関する興味深い研究も過去に紹介していますので参考にしてみてください (*26)。
・“意識と量子の相互作用”を検証した実験
過去2016年に二重スリットに対して人の意識による観察の効果を検証した実験が行われました (Figure 9, *27)。この実験はシンプルで、密閉された二重スリット実験装置に対して参加者が“離れた場所から意識を送る”、そして二重スリットを通して投影される光の変化を計測するというものです。
この実験では二重スリット部分に直接的な観測装置はついてません。実験参加者も実験室には入らず、ほとんどの場合遠隔地から（数キロから数千キロ）参加していたので、実験機器に直接的な干渉は一切なく、純粋に“意識のみで観察した”という状況でした。
結果はFigure 10に示すように人の意識のみで二重スリットの投影の画像は明らかに変化しました (*27)。これは今から何十年も前にノイマンによって予見された“意識と量子が相互作用してしまうのではないか”という記述を実際に証明した内容でした(詳細は過去記事*28参照）。
・今回のまとめ
・光は干渉されない状態では波動関数（波＝確率密度）に従う
・量子レベルでは観測することで相互作用を引き起こしてしまう
・量子に対する観測は波動関数の収束（波から粒子へ）を起こす
・量子に対するあらゆる“観測”は相互作用の原因になる
・その“観測”は、目で見る／視神経で知覚する／脳の活動、も含まれる
・ノイマンは“観察者の知覚”までもが実験系に含まれる可能性を指摘
・さらにノイマンは“考えることすらも量子に影響してしまう可能性”を予見
・”意識と量子の相互作用”はノイマンの理論でも無視できない問題としている
・“意識と量子の相互作用”を裏付ける研究結果は後に発表された
・フォン＝ノイマンの逸話
ノイマンはIQ300とも言われる科学的思考の天才でしたが、戦時中は兵器開発や対外国政策において参謀役もこなしていました。その人間離れした超合理的思考から「人間のふりをした悪魔」と揶揄する人もいたそうです。しかし、1945年のあるとき１日４時間しか寝ないノイマンが12時間も寝続けて、目覚めた時妻に対して「我々が今作っているもの（原子爆弾）は怪物だ」と動揺した様子で話したといいます(*29)。寝ている間あるいは夢の中で「何か」がノイマンに「唯物論的思考から人道的思考」へと変わる「気付き」を与えたのかもしれません。
ノイマンはがんを患い53歳という若さで亡くなります。こう見えて死が迫った晩年にはカトリックの司祭との対話を求めたと言われています。そして“パスカルの賭け（神がいるかいないか／神を信じるか信じないか、における議論, *30）”によって神の存在について考えを巡らせていたようです。そして母親に「神はいなければならない」と話したとされています(*18)。この言葉が単なる願望なのか、それとも天才が世界の深淵に垣間見た上での言葉なのか、本人に会えたら聞いてみたいですね。
今回の記事では「意識と物質の相互作用」という少し常識を逸脱したようなテーマを紹介しました。これは「目に見えない曖昧な世界と目に見える現実的な世界の接点」となる研究とも言えます。それは「形而上学と科学の接点」と言い換えることもできます。そしてこの理論はアインシュタインに“超天才”と言わしめたフォン＝ノイマンによって予見されていたということも重大な意義があると考えられます。意識を使うことで何かを「現象化」できるということが理論的にも裏付けられてきました。そしてどのようなタイプの人が瞑想に向いているかは以前の記事で紹介しています(*31)。実生活に瞑想を取り入れ、意識を向けることで現実が変わるかもしれませんね。
（著者：野宮琢磨）2024.12.22
野宮琢磨 医学博士, 瞑想・形而上学ガイド
Takuma Nomiya, MD, PhD, Meditation/Metaphysics Guide
臨床医として２０年以上様々な疾患と患者に接し、身体的問題と同時に精神的問題にも取り組む。基礎研究と臨床研究で数々の英文研究論文を執筆。業績は海外でも評価され、自身が学術論文を執筆するだけではなく、海外の医学学術雑誌から研究論文の査読の依頼も引き受けている。エビデンス偏重主義にならないよう、未開拓の研究分野にも注目。医療の未来を探り続けている。
引用／参考文献
*1. Double-slit experiment. Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Double-slit_experiment
*2. 光の二重性 (Duality) を巡る波動説と粒子説の歴史
https://note.com/newlifemagazine/n/n06e5917e6bd6
*3. 光の波動・粒子論争から量子論へ：“実在性の不確かさ”
https://note.com/newlifemagazine/n/n503b51b98d5a
*4. Einstein A. Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt. Ann d Phys 132, 1905
*5. Broglie DE. (1925). Recherches sur la théorie des quanta. Ann. de phys., (10), 34.
*6. 単一フォトンによるヤングの干渉実験（浜松ホトニクス／1982年）(Youtube)
https://www.youtube.com/watch?v=ImknFucHS_c
*7. Schrödinger E. 1926. Collected papers in Wave Mechanics. (Providence, Rhode Island: AMS Chelsea Publishing).
*8. Klein JM. The First Phase of the Bohr-Einstein Dialogue. Historical Studies in the Physical Sciences Vol. 2 (1970), pp. iv, 1-39
*9. Bohr N. Discussion with Einstein on Epistemological Problems in Atomic Physics, from Albert Einstein, Philosopher-Scientist, ed. Paul Arthur Shilpp, Harper, 1949
*10. Liu XJ, Miao Q, Gel'Mukhanov F, Patanen M, Travnikova O, Nicolas C, Agren H, Ueda K, Miron C. (2015). Einstein–Bohr recoiling double-slit gedanken experiment performed at the molecular level. Nature Photonics, 9(2), 120-125.
*11. 二重スリット実験：“観測すると本当に干渉縞模様は消えるのか？”
https://note.com/newlifemagazine/n/nb9094f7a1b3b
*12. Harada K, et al. Electron interference experiment with optically zero propagation distance for V-shaped double slit. Applied Physics Express 14, 022006 (2021), https://doi.org/10.35848/1882-0786/abd91e
*13. Dimitrova TL, Weis A. Lecture demonstrations of interference and quantum erasing with single photons. Physica Scripta T135: 014003, 2009
*14. Jacques V, et al. Experimental Realization of Wheeler’s Delayed-Choice Gedanken Experiment. Science 315, 966-968 (2007); DOI: 10.1126/science.1136303
*15. 「観る」ことで「現実が変わる」？：二重スリット実験
https://note.com/newlifemagazine/n/nf11ac38b370a
*16. 量子の最新研究と因果律の崩壊？
https://note.com/newlifemagazine/n/nf66f91110a61
*17. 「量子」と「時間」と「世界」の謎解き
https://note.com/newlifemagazine/n/n96af4cbc0890
*18. John von Neumann-Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/John_von_Neumann
*19. Von Neumann, J. (2018). Mathematical foundations of quantum mechanics: New edition (Vol. 53). Princeton university press.
*20. Von Neumann J. Mathematische Grundlagen der Quantenmechanik. Springer, Berlin, 1932
*21. Psychophysical_parallelism-Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Psychophysical_parallelism
*22. 心身並行説-Wikipedia. https://ja.wikipedia.org/wiki/心身並行説
*23. 心身相互作用説-Wikipedia. https://ja.wikipedia.org/wiki/心身相互作用説
*24. 随伴現象説-Wikipedia. https://ja.wikipedia.org/wiki/随伴現象説
*25. Quantum entanglement-Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_entanglement
*26. “遠隔ヒーリング”は科学的に証明できるか？https://note.com/newlifemagazine/n/n349ffafbd715
*27. Radin, D. Michel, L., Delorme, A. (2016). Psychophysical modulation of fringe visibility in a distant double-slit optical system. Physics Essays. 29 (1), 14-22. https://doi.org/10.4006/0836-1398-29.1.014
*28. 「意識」が物質を変えることを証明：二重スリット世界規模実験https://note.com/newlifemagazine/n/n19342d9a4f56
*29. 超人？それとも悪魔？『フォン・ノイマンの哲学』https://honz.jp/articles/-/45980
*30. パスカルの賭け-Wikipedia. https://ja.wikipedia.org/wiki/パスカルの賭け
*31. 瞑想／現実化に向いている人の特徴とはhttps://note.com/newlifemagazine/n/n8d0889330de8
画像引用
*a. Image by Stannered. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ebohr1_IP.svg
*b. https://www.freepik.com/free-vector/realistic-neuroscience-set-with-human-brain-nerve-anatomy-isolated-vector-illustration_26760295.htm
*c. https://pixabay.com/photos/eye-eyelashes-macro-human-beauty-4721699/
*d. https://www.rawpixel.com/image/6431696/vector-sticker-public-domain-black
*e. https://www.freepik.com/free-vector/computer-screen-desktop-pc-technology-icon-vector-concept_3090967.htm
*f. https://www.freepik.com/free-vector/girl-closing-eyes-vector-illustration_62039655.htm
*g. https://labs.google/fx/ja/tools/image-fx
*h. https://firefly.adobe.com/generate/images
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