[비즈한국] ハムレットは言った。「生きるべきか、死ぬべきか、それが問題だ」。この問いは、シェイクスピアの文学の中だけで重要なわけではない。現代物理学においても、似たような問いが登場する。まさにシュレーディンガーの猫の実験だ。
密封された箱の中に毒薬と放射性元素、そして一匹の猫がいる。放射性元素が崩壊すれば毒薬が放出され、猫は死ぬ。元素が崩壊しなければ猫は生きる。問題は、この放射性元素の崩壊の有無が量子力学の不確定性原理によって決定されるという点だ。つまり、箱を開けてみるまで、猫は生きていると同時に死んだ状態なのである。このようなあり得ない状況が可能な理由は、まさに「量子重ね合わせ」のためだ。
実は、量子力学と言えば必ず登場するこの有名な猫の思考実験は、もともと量子力学の矛盾を強調するために作られた概念だった。シュレーディンガーは、ミクロの世界で「重ね合わせ」という理解し難い概念を主張する若い物理学者たちを困らせようと、この実験を考案した。ミクロ世界の魔法を少しずつ大きく拡張し、猫というマクロ的な存在にそのまま適用したとき、どれほど当惑させられるかを示そうとしたのだ。しかし、量子力学を支持していた物理学者たちは屈することなく、死んだ猫と生きた猫の重ね合わせ状態を認めてしまった。
ならば、重ね合わせは必ずしも猫が入っている箱の中に限定される必要があるのだろうか？ 箱が置かれた実験室、建物全体、さらには宇宙全体にも同じ論理が適用され得る。そうして誕生した魔法のような話が、あの有名な多重宇宙、マルチバースの概念だ。多重宇宙仮説は非常に興味深い。極めて難解で複雑な概念であるにもかかわらず、SF映画をはじめとする大衆文化の中で広く使われている。
実際、多重宇宙は数学的に魅力的な仮説だが、実際の観測を通じて証明される可能性はほとんどないと考えられてきた。ところが最近、Googleが開発した量子コンピューターが多重宇宙の存在可能性を証明するかもしれないという興味深い主張が提起された。果たして量子コンピューターの成功は、多重宇宙の存在を裏付ける証拠になり得るのだろうか？
最近議論となったこの話を正しく理解するには、天文学者や物理学者たちが、現時点では証明もできない多重宇宙仮説をなぜ真剣に研究するのかを先に理解する必要がある。多重宇宙は単なるSF的な想像ではない。物理学者たちが多重宇宙を研究する理由は、単純に「別の宇宙があるかもしれない」という好奇心からではない。多重宇宙仮説は、私たちが巨大な宇宙を量子力学的な存在として眺めさせてくれるという点で、大きな意味がある。
現在の物理学は二つの大きな柱で成り立っている。一つはニュートンとアインシュタインの古典物理学に代表されるマクロ世界の物理学であり、もう一つは量子力学で説明されるミクロ世界の物理学だ。問題は、この二つの物理学が未だ完全に統合されていない点にある。多重宇宙仮説は、両者を連結する重要な鍵となり得る。なぜなら、多重宇宙は「巨大な宇宙全体が量子力学的な存在として活動し、いつでもどこでも新しい宇宙が誕生し得る」という概念を含んでいるからだ。
ビッグバン理論によると、太初の宇宙は原子よりも小さなスケールであり、したがって量子力学の不確定性原理の支配を受けていた。この時期、空間と時間は現在とは全く異なる方式で作用しており、物理法則さえ不確かな状態だった。不確定性原理によれば、特定の物理量の値は正確に知ることができず、その結果として真空でもエネルギーがランダムに揺らぐことがある。こうした原理は、粒子と反粒子のペアが瞬間的に生成されては消える「量子ゆらぎ（Quantum Fluctuation）」現象を説明するのに使われる。こうした現象は宇宙誕生の初期にも発生し得たことであり、太初の宇宙が小さな量子ゆらぎから始まった可能性を示唆している。
こうした量子ゆらぎが十分に大きなエネルギー密度を持つと、一つの独立した新しい空間が生成され得る。つまり、私たちの宇宙全体が太初の小さなゆらぎ一つから始まった可能性があるのだ。これは多重宇宙仮説ともつながる。不確定性原理が作用する限り、宇宙の誕生は一度きりのイベントではなく、持続的に起こり得ることを示唆するためだ。これは私たちが住む宇宙の他にも、無数の宇宙がそれぞれ異なる時点で生成され得ることを意味しており、多重宇宙仮説を裏付ける重要な概念の一つとなっている。
1950年代、ヒュー・エヴェレットはシュレーディンガーの猫の思考実験をより高次元に引き上げた新しい解釈、いわゆる「多世界解釈」を提唱した。実際、古典的な量子力学的解釈によると、箱の中の猫は「死んでいる確率」と「生きている確率」、二つの波動関数が共存する、すなわち重ね合わされた状態で存在する。そして箱を開ける瞬間、どちらか一方にすべての確率が崩壊し、どちらか一方の運命として猫を確認することになると説明される。
しかし、エヴェレットはこうした説明が不自然だと考えた。現に存在していた二つの確率が一方に押し込められて崩壊する必要がない、新しい解釈を探したのだ。彼は、観測するたびに「猫が生きている宇宙」と「猫が死んでいる宇宙」が絶えず枝分かれしているだけなら、そして私たちがそのうちの一方の宇宙で起こる出来事だけを目撃しているだけなら、わざわざ現実の宇宙で重ね合わされた二つの確率が一つに崩壊するという仮定を加える必要はないと考えた。すなわち、観測のたびに宇宙の運命が複数の枝に分かれるという、いわゆる多世界解釈である。多世界解釈は、いかにして宇宙が数え切れないほどの多重宇宙から構成され得るのかについて、数学的な解答を提示する。
宇宙が一つではなく数え切れないほど存在すると仮定すれば、うまく説明がつかない「宇宙の微調整問題」を少しばかり楽に解決できる。物理学では、なぜ私たちの宇宙の物理定数が、これほど絶妙に生命が存在できるよう調整されているのかという疑問を抱く。これに対する一つの解釈は、私たちが住むこの宇宙が無数の宇宙の中の一つに過ぎず、他の宇宙では物理定数が異なって設定されているため、生命が誕生できない場合も多いというものだ。結局、私たちは「観測可能な宇宙」の中にしか存在し得ないという結果に行き着くという論理である。
そのため、多重宇宙仮説を論じる際に欠かせない概念が「人間原理（Anthropic Principle）」だ。人間原理は基本的に、私たちがこの宇宙を観測できるのは、私たちのような観測者が存在し得るように宇宙が構成されているからだという論理を含んでいる。人間原理は大きく二つに分けられる。
一つ目は「弱い人間原理（Weak Anthropic Principle）」で、これは私たちの宇宙が生命の存在に適しているからこそ私たちが存在できるという、単純な説明を提供する。
二つ目は「強い人間原理（Strong Anthropic Principle）」で、宇宙は本質的に観測者が存在し得るように調整されているという、より強力な主張を内包する。これは宇宙の物理定数が生命の存在し得る形に調整された理由が単なる偶然ではないことを示唆しており、多重宇宙仮説とも深く関連している。
最近Googleは、「ウィロー（willow）」と呼ばれる量子コンピューターについて、宇宙の年齢よりも長い時間がかかる計算を極めて高速に処理する能力を備えたと宣伝した。その上で、自分たちの量子コンピューターが多重宇宙の存在可能性を示していると言及し、大きな話題を呼んだ。
量子コンピューターは「1」と「0」だけで計算していた方式を超え、二つの状態が共存する量子重ね合わせを活用して計算する新しい概念だ。物理学者のリチャード・ファインマンが初めて考案し、その後、イギリスの物理学者デヴィッド・ドイッチュが現代的な量子コンピューターの文法を築いた。多くの物理学者は、今後数年以内に量子コンピューターが有意義なレベルで商用化されれば、ドイッチュがノーベル物理学賞の主人公になる可能性が高いと展望している。
ドイッチュは量子コンピューターの原理を説明する際、興味深い比喩を用いたことがある。「量子コンピューターは、複数の多重宇宙とGPUのように連結され、一度に並列計算を行っているようなものだ」。彼の映画のような比喩は、現実世界の量子コンピューターが私たちの宇宙の向こう側に存在する別の宇宙と連結され、神秘的に作動しているかのような印象を与える。しかし、これは素敵な詩的比喩に過ぎず、文字通り「量子コンピューターの作動自体が多重宇宙の実験的証拠になる」とまでは言い難い。単に、量子重ね合わせと量子もつれに対する私たちの理解が間違っておらず、予測通りに量子力学的現象が起きているということを示しているだけであり、本当に私たちの宇宙の向こう側に数え切れないほどの宇宙が共存していると述べているわけではない。
観測されたものだけを信じるという職業病があり、そう訓練されてきた天文学者である私にとって、多重宇宙仮説は妙な魅力と拒否感を同時に抱かせる。魅力と拒否感が重ね合わされているように感じられるのだ。天文学の歴史を見ると、人類は常に「自分たちは唯一である」と考えてきたが、そうではないという現実を突きつけられる形で進んできた。特別だと思っていた地球も、太陽も、私たちの銀河も、ただ数え切れないほどの星や惑星、銀河の中の一つに過ぎなかった。自然とそうした懸念は、今や私たちの宇宙全体に向けられている。唯一だと思っていた私たちの宇宙も、もしかすると無数の宇宙の中の一つではないだろうか？ これまでの天文学の歴史が歩んできた道筋を見ると、決して不可能だとは言い切れない。
しかし同時に、観測可能な宇宙の向こう側の宇宙を語るという側面において、そもそも証明が不可能な虚しい話のようにも感じられる。結局、天文学的な真実として受け入れられるためには、実際の観測を通じて確認されなければならないからだ。
むしろ多重宇宙は、別の意味で魅力的だ。私たちの宇宙は、太初には原子よりも小さな世界だった。そのため、宇宙の始まりを理解するには、マクロの世界を歌うニュートンやアインシュタインの物理学ではなく、量子力学が必要となる。その間に大きく膨れ上がった宇宙は、最初から大きくて巨大な世界であるかのように振る舞っているが、事実はその始まりは微々たるものだった。
宇宙は「マクロ的であると自称するミクロ的存在」だ。宇宙をマクロ的な存在であると同時にミクロ的な存在として眺めさせてくれるという側面において、多重宇宙仮説は魅力的だ。ビッグバンは巨大な宇宙を誕生させた最もマクロ的なイベントだが、同時に極めてランダムに揺れ動く量子ゆらぎの波の中で起きた、最もミクロ的なイベントでもあった。
私は個人的に「量子コンピューター」という表現が好きではない。実際、量子コンピューターは私たちが現在使っている古典的なコンピューターとは根本的に異なる働きをする。量子コンピューターと呼ぶと、現在私たちが使っているコンピューターの上位版であるかのような誤解を招く。だから、あえて名前を付けるなら、ただ無味乾燥に「量子マシン」と呼ぶのが最も公平ではないだろうか。もし本当に量子コンピューター、すなわち量子マシンが多重宇宙を連結するGPUのような機械だとしたら、私たちの宇宙もずっと昔から、より発展した存在が住む宇宙によってリソースを盗まれながら生きていたのかもしれない。そろそろ私たちも、他の宇宙からリソースを盗む時が近づいているのかもしれない。
筆者チ・ウンベは？ 猫と宇宙を愛している。幼い頃、『銀河鉄道999』を見て、宇宙の美しさを伝えたいという夢を持つようになった。現在、延世大学銀河進化研究センターおよび近宇宙論研究室で銀河の相互作用を通じた進化を研究し、講演や執筆など多様な科学コミュニケーション活動を行っている。『サム（Some）乗る天文台』、『一日中宇宙のことを考える』、『星、光の科学』などの著書がある。