見られていると、粒子はまともなフリをする

光は波か、粒子か

この記事は量子物理学の話だが、最初にひとつだけ言葉を整理しておきたい。この先何度も出てくる「スリット」という単語——日本語にすれば「細い切れ込み」だ。薄い板にカッターで縦に切れ目を入れたものを想像してほしい。光や粒子をそのスリットに向けて飛ばし、板の向こう側で何が起きるかを観察する。それがこの実験の基本構造だ。

1672年、アイザック・ニュートンはプリズムで太陽光を分解し、光は小さな粒子の流れだと主張した。光が直進すること、鋭い影を作ることが根拠だった。当時の物理学界ではこの「粒子説」がほぼ定説になった。ニュートンの権威が絶大だったからだ。

しかし同時代のクリスティアーン・ホイヘンスは、光は波だと考えた。水面の波のように空間を伝わる振動——それが光の正体だという「波動説」だ。ホイヘンスの主張は正しかったが、100年以上にわたって傍流に留まった。

1801年、ヤングは暗室に太陽光を引き込み、極めて細い隙間を2本並べた板に通した。壁に映ったのは2本の光の帯ではなかった。明暗の縞模様——干渉干渉　2つの波が重なり合って強め合い・打ち消し合いが起きる現象。縞と呼ばれるパターンだった。これは光が波でなければ説明できない現象だった。

ヤングの発見は当初、ほとんど無視された。エディンバラ・レビュー誌の匿名書評はヤングを「無知で横柄」と切り捨てた。ニュートンに逆らうことは、当時のイギリスでは異端に近かった。しかし、光が干渉するという事実は消えなかった。波でなければ説明がつかないからだ。

水面の波と干渉縞

量子力学の前に、まず馴染みのある水面の波で回折回折　波が隙間を通過した先で扇状に広がる現象。と干渉の仕組みを見ておこう。狭いスリットを通った波は扇状に広がる。スリットが2つあれば、2つの扇形の波が重なり——場所によって強め合い、打ち消し合いが起きる。

下のシミュレーションで、①と②を切り替えてみてほしい。波長スライダーで波の細かさも変えられる。下段のグラフは右端のスクリーン位置での波の強さを示している。

あなたの予想

水面の波の話から、粒子の話に移る。電子を1個ずつ発射したらどうなるのか。波ではなく、砂粒のように1つずつ飛んでいく小さな存在だ。

二重スリット実験

粒子を1個ずつ発射し、スクリーンに到達する様子をリアルタイムで観察する。最初の数十発はランダムに見える。100発、200発と溜まっていくうちに、パターンが浮かび上がるかどうか——そこに注目してほしい。

なぜ縞ができるのか

シミュレーションで確かめたとおり、二重スリットで粒子を1個ずつ撃つと、スクリーンには縞模様が現れる。Aの「2本の帯」を選んだ人は、粒子を小さな砂粒のように想像したのだろう。Bの「1つの山」を選んだ人は、2つのスリットからの粒子が混ざるイメージだったかもしれない。どちらも日常の直感としては正しい。しかし正解はCだ。

ファインマンはこの実験を「量子力学の唯一のミステリー」と呼んだ。なぜ1個の粒子が、2つのスリットを「同時に通って」自分自身と干渉するのか。1961年にイェンソンが電子で初めて二重スリット実験を成功させたとき、物理学者の間にも動揺があった。理論上は予言されていたが、実際に目の前で見ると別の衝撃がある。

1989年、日立製作所の外村彰は、電子を1個ずつ発射する実験の映像を撮影した。最初の数十発はスクリーン上にランダムな点が散らばるだけ。数百発で、うっすらと規則的なパターンが浮かぶ。そして数千発に達すると、くっきりとした縞模様が完成する。1個1個は粒子として到達するのに、全体としては波の干渉パターンを描く。この映像は日立のウェブサイトで公開されている。

300年の軌跡

「見る」ことの意味

粒子と波の境界は存在しない。電子は状況によって異なる振る舞いを見せる1つの存在だ。波動粒子二重性波動粒子二重性　量子力学における粒子が波と粒子の両方の性質を持つこと。という言葉が示しているのは、人間の側の認識の限界かもしれない。

「見る」という行為が結果を変える——日常生活では、見ることは受動的だ。テーブルの上のリンゴを見ても、リンゴは変わらない。しかし量子の世界では、情報を得ること自体が対象に物理的な影響を与える。

二重スリット実験の不思議はここで終わらない。量子もつれ——互いに離れた粒子同士が即座に相関を示す現象——も、同じ根から生えている。アインシュタインはこれを「不気味な遠隔作用」と呼んで嫌ったが、実験はアインシュタインの直感を裏切り続けている。