研究者を苦しめたチート能力を持つ「物理学の悪魔」たち

科学の理論分野の研究においては、議論を行うために大胆な仮定を導入することがあります。

この方法は時間・空間・金銭などの理由で人間の手で再現困難な状況について考えたいときに特に有効です。

例えばアインシュタインらは光速に近い速度で飛ぶことができるロケットの存在を仮定して特殊相対性理論を考察したと言われています。

このような試みは思考実験と呼ばれます。

実際にやってみることが難しくても、その状況を頭の中でシミュレーションすることで科学者は数多くのヒントやひらめきを得てきました。

思考実験は科学の歴史にとって有益な営みです。

そして思考実験は同時に、超人的な能力を持つ存在を仮定することで、研究者の頭を悩ませるような問題を生み出してきたという側面もあります。

その存在は「悪魔」と呼ばれています。

悪魔は研究者を苦しめ、しかし確実に科学を前へ進める存在として立ちはだかってきました。

今回はその中でも、特に有名で強力な2体の悪魔について解説します。

ライター：海沼 賢（Kainuma Satoshi）
ナゾロジーのディレクションを担当。大学では電気電子工学、大学院では知識科学を専攻。科学進歩と共に分断されがちな分野間交流の場、一般の人々が科学知識とふれあう場の創出を目指しています。

未来を全て見通すラプラスの悪魔

最初に紹介する悪魔はフランスの数学者であるピエール＝シモン・ラプラスによって生み出されました。

彼は特に科学の歴史に名を残す重要人物の一人です。

理系の大学生であればラプラシアンやラプラス変換という言葉は馴染深いでしょう。

そうでなくとも、今や日常生活に浸透しきっているメートル法の原型となるものを提唱したのも彼である、と言えば凄さが伝わるかもしれません。

そんなラプラスの生み出してしまった悪魔は、なんと未来を見通す能力を持っています。

未来を見通せる能力など持っているようならば、漫画やアニメの世界でも最強クラスに属するでしょう。

そのような存在が、本当に居てもいいのでしょうか？

この悪魔の存在可能性を考えるにあたって”未来を見通す能力”とは何か、もう少し科学的な観点から紐解いてみましょう。

ニュートンの運動方程式の発見以降、これを用いた古典力学（一般的に学校で習う物理学）により斜面を転がる石や空から降ってくる雨などの自然現象、さらには天体の動きまでも説明できるようになりました。

このような経緯からあらゆる問題を古典力学で説明できるのではないかと思われていた時代があります。

そうした考えの延長から、「もし宇宙に存在する全ての物体や粒子の位置と運動量などのパラメーターが分かり、さらに物理的な法則を正確に把握すれば未来の運動は全て予測できるのではないか？」という発想が一部の科学者から生まれたのです。

「全ての出来事はそれ以前の出来事のみによって決定される」という考え方は決定論と呼ばれています。

ラプラス自身も決定論者であり、自著「確率の解析的理論」において、次のような主張を行いました。

この文章における「知性」こそが、後にラプラスの悪魔と呼ばれるようになる超人的な存在です。 つまり、

• ある時間における全ての物体の状態を知っている

• その物体を司る物理法則を知っている

という2点をもって、「未来を見通す」ことを実現させています。

「そんな存在はいるわけがない」と言うのは簡単ですが、この悪魔の存在がすぐには消えなかったことから、いかに当時の古典力学の範疇で否定し、倒すことが困難であったかが分かるでしょう。

この問題の結論が科学的に付けられるようになったのは、誕生から100年ほど経った20世紀に入ってからです。

20世紀に入ると、全てを説明できるかに見えた古典力学の範囲内では説明できない物事が知られるようになります。

例えば光や電気が波と粒子の両方の性質を併せ持つような振る舞いをする現象は、その一つです。

このような現象は、物質を「量子」というものであると考える量子力学によって説明がつけられるようになりました。

そして量子力学において量子の位置や運動量などは、事前に決まりきっているのではなく確率として表現されます。

実際にどの位置にあり、どのような運動量を持つかなどは、実験により観測を行ってようやく確定するのです。

量子力学の成立は、ラプラスの悪魔は存在しないと結論づけるための有効な一撃となりました。

なぜならばラプラスの悪魔は全ての物質の状態を知っているからこそ能力を発揮できるのですが、実際には量子は確率的な振る舞いをするため事前に物質の状態全てを知ることは不可能だと示されたからです。

こうしてラプラスの悪魔はいない、と自信を持って言うことができるようになりました。

量子力学が科学の発展に大きく寄与したことはよく知られていますが、同時に思考実験により現れた「悪魔」を追い払うことにも成功していたのです。