量子力学の二重スリット実験とは：ヤングが示した波動粒子二重性

ヤングの二重スリット実験で解き明かす量子力学の謎：光と電子の波動粒子二重性をやさしく解説。

量子力学における二重スリット実験は、物理学者トーマス・ヤングによって考案された実験である。光には波としての性質と粒子としての性質があり、両者は不可分であることを示す。そのため、光は波だけでも粒子だけでもなく、波動粒子二重性を持つと言われている。電子などの量子粒子も同様である。

実験の基本構成と観察される現象

二重スリット実験の典型的な装置は、コヒーレントな光源（あるいは電子源）、二つの非常に狭いスリットが並んだ障壁、そしてスリットからの透過光（粒子）を受ける検出スクリーンで構成される。スリットを通った光は互いに干渉して、スクリーン上に明暗の縞（干渉縞）を作る。これは波が重ね合わせることで強め合ったり打ち消し合ったりする典型的な波動現象である。

粒子として見たときの不思議さ：単一粒子実験

興味深いのは、光子や電子を一つずつ非常に低い強度で放出し、検出器に一個ずつ到達させる実験でも、長時間観測すると同じ干渉パターンが徐々に現れることである。個々の検出イベントは点として記録されるが、点の集まりは波の干渉による縞模様を再現する。

測定と干渉の消失（経路情報）

もしどちらのスリットを粒子が通ったかを調べて「経路情報（which-path information）」を得ようとすると、干渉縞は消えてしまう。これは観測行為が系の重ね合わせ状態を破壊し、確率分布が変わるためと理解される。ボーアの補完性原理では、波としての性質と粒子としての性質は相補的であり、同時に完全には観測できないとされる。

理論的解釈と重要な概念

• 重ね合わせ（superposition）：粒子はスリットAを通る状態とスリットBを通る状態の重ね合わせとして記述され、これらの確率振幅（波動関数）が干渉を生む。
• 確率振幅とボルン則：観測で得られる確率は波動関数の振幅の二乗で与えられる。振幅同士の干渉が確率分布に反映される。
• 測定問題と崩壊：測定（観測）によって波動関数が一つの固有状態に「収縮」するという説明や、崩壊を不要とする多世界解釈など、解釈は複数ある。
• デコヒーレンス：環境との相互作用により干渉が失われる現象で、古典的振る舞いへの移行を説明する重要な枠組みである。

発展実験と現代的応用

遅延選択実験（Wheelerの遅延選択）や量子消去（quantum eraser）実験は、観測のタイミングや情報の扱いが干渉にどう影響するかを詳しく示した。電子や分子の二重スリット実験は、物質波（ド・ブロイ波）の実証として量子力学の基礎を強力に支持している。

まとめ（意義）

二重スリット実験は、波と粒子という古典的概念を超え、量子系が持つ重ね合わせと確率的性質を直感的に示す代表的な実験である。その結果は量子力学の基礎原理、測定問題、そして量子情報科学やナノテクノロジーなどの応用分野に深い影響を与えている。

実験の様子

この実験は非常に簡単です。必要なものは、写真のような二重スリット装置と、二重スリット装置を静止させるもの、そして、職人さんが建築中に直線を「描く」のに使うような優れたレーザーだけです。レーザーは支持されているので、意図的に動かすことはできない。2つのスリットの間の中心点を、1.5メートルほど離れたところから狙います。二重スリット装置の反対側には、映画のスクリーンのようなものや、滑らかな白い壁が数メートル離れて設置されている。すべてが固定されると、明暗の帯のパターンが現れます。

レーザーは一定量の電気を与えると、1つまたは複数の光子を発生させることができます。光子は非常に小さな穴から、よく知られた時間内に出てきます。光の速さは知られているので、光子が画面に現れる時間は予測できます。光子が一度に1つずつ生成される場合、スクリーン上に表示されるのは光の個々のスポットです。もし、光子が波であれば、光子が移動しながら広がり、画面の広い範囲に広がるはずですが、そうはなりません。もし光子が粒子であれば、真ん中の2つのスリットを介してレーザーに接続されたスクリーン上の2点に現れると期待されます。しかし、それも起きない。

ヤングがこの実験をしたとき、彼はレーザーを持っていなかった。彼は、光を水の波のように想像して理解した。池に落とした小石から波が広がるように、光源から光の波が移動し、その波面が二重スリットに当たると、二つのスリットで元の波が通り、それ以降は二つの異なる波があると考えたのです。2つの波がどのように相互作用して、画面上に明るい帯と暗い帯（よく「フリンジ」と呼ばれる）ができるのか、簡単に理解できたのである。光は波である」という説を証明したのだという。

しかし、大きな問題があった。光は波としてスクリーンを伝わっては来ないのだ。光は、光子の群れとして理解されるようになり、個々に検出スクリーンに衝突するようになった。ところが、驚くべきことに、1個の光子が、あたかも1個の波であるかのように、自分自身と干渉してしまうのだ。二重スリット装置で2つの波に分かれ、スクリーンで合体するのだ。

同じ装置で、スリットが1つ開いている場合と2つ開いている場合の比較（16本のフリンジに注目）。


Jはフリンジ間の距離。J = Dλ/B "D" = dist.S2 to F, λ = 波長, B = a to b の距離。

質問と回答

Q:二重スリット実験とは何ですか?

Q:二重スリット実験は誰が最初に行ったのですか?

Q: 二重スリット実験は何を示しているのですか?

Q:光は波だけでも粒子だけでもあり得るのでしょうか?

Q: 光はどのような二面性を持っているのですか?

Q:電子も同じなのですか?

Q: この現象はいつから「波と粒子の二重性」と呼ばれるようになったのですか?

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