自然選択 vs.インテリジェントなデザイン: 物理学者の視点

いくつかのランダムな数字を考えてみましょう。8、12、876、93 などの数字です。これらは生物学におけるランダムな数字であり、一見単純な数字に、宇宙の最も深遠な謎、つまり私たち自身を解き明かす鍵が隠されています。より具体的に言えば (そしてそれほど劇的ではないですが)、数字そのものではなく、数字が生み出されるプロセスが深刻な意味合いを持っています。たとえば、次のような興味深い疑問が浮かびます。

1. これらの数字は本当にランダムですか?
2. 将来、ランダムな数字を尋ねられた場合、同じ数字を思いつく可能性はありますか?
3. 私たちの脳はどのようにしてこれらの乱数を生成するのでしょうか?
4. 脳がいくつかの数字をランダムとしてタグ付けしただけなのでしょうか?
5. 脳内で無意識に行われているサイコロを振るなどのランダムなプロセスを含むアルゴリズムはあるのでしょうか?
6. 私たちの思考プロセスは自由でしょうか?
7. そもそも自由意志というものは存在するのでしょうか?

皆さんは、これらが現時点では満足のいく答えが得られていない疑問であることに正しく気づいているでしょう。皆さんの中には、科学が最終的にこれらの疑問に対する正しい答えを見つけ出すだろうと信じている人もいるでしょうし、それまでは遠回しに話したり大げさに宣伝したりする必要はないでしょう。科学にはいくつかの答えといくつかの手掛かりがあり、もう少し努力すればいくつかの深遠な疑問に答えることができるということを、皆さんのほとんどは気づいていないかもしれません。

この記事の最後では、自宅で実行して思考プロセスを調べることができる実験を提案します。その間、いくつかのランダムなプロセスについて話しましょう。

知覚されたランダム性はランダムではない

機械の世界でランダムな数字を探してみましょう。これらは、コインを投げたり、サイコロを振ったりするなどのランダムなプロセスの結果です。他にも、インターチェンジを 1 日に横断する赤い車の数や、大気圏に突入する隕石の数など、ランダムな現象はあります。

次に、 numpy.random.rand() (または、お気に入りのコンピュータ言語のその他のルーチン) の出力があります。最後のものは、アルゴリズムの出力であるため、間違いなくランダムではありません。アルゴリズムは、同じ「シード」番号から計算を開始すると、同じ番号を生成します。これらは、実際には疑似乱数です。実用的には優れていますが、完全に予測可能なため、正確にランダムではありません。

私たちが生活の中で経験するランダム性のほとんどは、実際には情報不足によって引き起こされる疑似ランダム性です。

もう 1 つの例、インターチェンジを渡る赤い車の数を見てみましょう。インターチェンジで待っている人は、赤い車の出現をランダムなプロセスと見なすかもしれませんが、衛星を通じてその地域の交通状況をライブで見ている人は、インターチェンジを渡る赤い車の数がわかります。ある観察者にとってはランダムに見えるプロセスは、より多くの情報を持つ別の観察者にとっては完全に決定論的です。これは、私たちが日常生活で経験するほとんどのランダム性の一般的な特徴です。見かけ上のランダム性は、情報不足が原因です。

さて、コインを投げることを考えてみましょう。結果はやはりランダムのようです。しかし、宇宙でロケットを発射して火星に着陸する時期と場所を正確に決定できるのに、コインを投げて結果を予測することはできないと本当に思いますか? ロケットの動きを規定する法則は、コインの動きを規定する法則とそれほど異なるのでしょうか? 実際にはそうではありません。

2 つのケースでは、同じ物理法則が当てはまります。唯一の違いは、コインを投げたときのコインの力学に関する正確な情報が不足していることです。情報が存在しないわけではありません。私たちは単に、情報を取得する手間を惜しみ、コインが投げられた目的が何であれ、自然がランダムな決定を下したと仮定します。実際、高速映画カメラで投げられたコインの最初の数分の 1 秒のビデオ映像から、コインの力学を解読し、投げたコインの結果を予測できます。

サイコロを振ったり、お気に入りの宝くじを引いたり、思いつく限りのランダムなプロセスのほとんどにも同じことが当てはまります (しゃれです)。これは、私たちが日常生活で経験する自然法則 (簡単に言えば、高校で習うニュートンの法則) が決定論的であるためです。関心のあるオブジェクトの初期条件 (位置、速度) とこれらのオブジェクトに作用する力がわかれば、オブジェクトの将来のダイナミクスを正確に判断できます。この領域でランダムに見えるものはすべて、情報にアクセスできないためです。情報はそこにあります。その情報を記録して処理するためのより優れたテクノロジーが必要なだけです。

近い将来、スマートフォンがサイコロを転がしながらその出目を予測するようになると、カジノは廃業するかもしれない。

これは、数十年後には、コインを投げたりサイコロを振ったりすることは、今日のそろばんと同じくらい役に立たなくなるかもしれないことを意味します。スマートフォンには、コインの動きを一瞬で解析し、結果を予測できる必要な技術が搭載されているでしょう。

サイコロを振る瞬間を数枚撮影すれば、携帯電話がサイコロの出目を予測してくれる。今まさにそのようなアプリを作っている人もいるかもしれない。今まさにこの方法でお金を稼いでいる人もいるかもしれない。しかし、私たちのようなもっと謙虚な人間にとって、当然の疑問は、将来どのようにカジノで遊ぶのか、あるいは試合を始めるのか、あるいは宝くじに当たるのか、ということだ。そこで、皆さんのために、私は純粋でむき出しの生のランダム性、つまり量子力学を紹介する。

真のランダム性に出会う

量子力学は、最も基本的なレベルでの自然の記述を扱う理論です。これは、物質とエネルギーの構成要素、原子、分子、電子、光子などを扱うレベルです。このレベルでは、自然は私たちの日常生活で見られるものとはまったく異なる振る舞いをします。これについては、後ほど説明します。

量子コイン

コインを投げる場面をもう一度考えてみましょう。ただし今回は量子コイン、つまり電子のスピンです。電子は物質の構成要素の一部です。これらは魔法のティーポットから解き放たれた精霊ですが、願い事が3つ以上叶うという違いがあります。あなたの周りで音を立てて動くものはすべて、赤ちゃんを除いて電子で動いています。電子にはスピンと呼ばれる特性があります。電子のスピンの測定は非常に簡単です。くさび形の磁石の近くに電子を通すだけです。そのような磁石の磁場が電子に力を及ぼし、電子はそのスピンに応じて一方向または他方向に偏向します。

電子のスピンを測定する実験を行うと、スピンには 2 つの値しかないことがわかります。これらをヘッド (スピンアップ) とテール (スピンダウン) と名付け、量子コインを作成します。

ここで量子コインを投げると、再び表か裏のランダムな出力が得られます。しかし、古典的なもの (前に説明したもの) との違いは、不確定性は情報不足によるものではないということです。電子について知るべきことはすべてわかっていますが、それでも、スピン測定の結果がスピンアップ (表) になるか、スピンダウン (裏) になるかを予測する方法はありません。

量子の世界におけるあらゆる出来事はサイコロを振ることです。

これは、情報不足が原因でランダム性が生じていた古典的なコインとは対照的です。これは量子レベルでの自然の最初の謎です。自然は、物質とエネルギーの構成要素間の基本的な相互作用がいつ、どのようなものになるかを私たちに知らせません。このレベルで起こるすべてのイベントは、サイコロを振ることです。

実際、量子力学のこの側面は、理論が始まった当初から活発な議論の対象となってきました。アルバート・アインシュタインを含む多くの人々は、量子レベルでの出来事の非決定論的な記述に満足していませんでした。彼の有名な言葉「神はサイコロを振らない」を聞いたことがあるでしょう。彼は、理論が不完全であり、記述に追加されると量子世界の決定論のような古典的な世界を復元するいくつかの隠れた変数が欠けている可能性が高いと考えていました。

しかし、過去 100 年間に行われた無数の実験により、これらの隠れた変数理論の可能性は排除されました。また、量子レベルでの自然に関する私たちの最良の理解は量子力学によってもたらされたものですが、原理的に量子コインを投げた結果を予測することはできません。

ここまでの重要な点は、古典的なランダムプロセスでは情報は存在するがアクセスできない可能性があるが、量子プロセスは本質的にランダムであるということです。情報が失われることはありません。

古典世界と量子世界におけるランダムなプロセスに関するこの理解を武器に、私たちは生物学の世界における本当に大きな疑問を探求する準備が整いました。まず、古典法則の決定論的世界には存在しない自由意志が、量子世界の非決定論のおかげで回復できることがわかります。私たちが探求しなければならない唯一のことは、脳の機能における量子シグネチャを探すことです。これは以前から多くの人が提案してきましたが、現在のテクノロジーは実験による検証を約束しています。量子生物学を研究している人々から素晴らしいニュースがすぐに聞けるかもしれません。

変装したデザイン？

それから、私が話したいもう一つの質問があります。生命について考えてみましょう。この惑星での生命の出現については、2 つの主要な理論があります。私たちは何らかのインテリジェント デザインの一部であるか、生命は偶然に地球上に出現し、ランダムな突然変異を通じて、今日私たちが目にするすべての生命体 (そして悲しいことに、私たちが地球から絶滅させたもの) に進化したかのどちらかです。科学は当然、2 番目の見解を支持します。しかし、科学的な見解を支持するほとんどの人は、彼らの世界観にはまだ設計の可能性があることを認識していません。これは、ゲノムの突然変異を引き起こすプロセスが古典法則または量子法則のどちらによって支配されているかをまだ判断する必要があるためです。

古典的法則がこれらの突然変異を満足にモデル化できる場合、これらはランダムではありません。これらは、情報、つまり設計がすでに存在していた決定論的なプロセスです。

誰かがその情報（全能の神？）を持っていたかどうかは別の問題であり、主観的に答えることができます。客観的に確認できるのは、設計が可能だったということです。これは、自然選択とインテリジェントデザインの論争に対する物理学者によるユニークな視点です。量子生物学のさらなる研究と遺伝子変異における量子シグネチャの調査により、私たちが設計の一部なのか、それとも本当にランダムな事故の結果なのかがわかるでしょう。

量子生物学は、私たちが設計されたかどうかを明らかにするでしょう。

最後に、約束どおり、思考プロセスを調べるための実験を提案したいと思います。少しの忍耐とたくさんの勇気があれば、この実験は自宅で簡単に行うことができます。紙を 1 枚取り、そこにいくつかのランダムな数字を書きます。紙を折り曲げて箱に入れます。箱を脇に置きます。そして、数週間待ちます。その間、書き込んだ数字を思い出そうとしないでください。もちろん、箱を開けないでください。数週間後、別の紙を取り、再びいくつかのランダムな数字を書き、同じ箱に入れます。再び 2 週間待ってから、これを繰り返します。長期間 (1 年または 6 か月など) にわたって、箱の中にはたくさんの折り曲げられた紙が入っているでしょう。

箱を開けて、これまで書き込んだランダムな数字をすべて見てみましょう。すべてランダムですか? お気に入りのランダムな数字はありますか? パターンはありますか? デザインはありますか?