ヤングの二重スリット実験

元の実験

ヨナスル/ウィキメディアコモンズ/ CC BY

19 世紀を通して、物理学者は光が波のように振る舞うというコンセンサスを持っていました。これは主に、トーマス・ヤングが行った有名な二重スリット実験のおかげです。実験からの洞察とそれが示した波動特性に突き動かされて、1 世紀の物理学者は光が波打つ媒体を探し求めました。 ルミナスエーテル .実験は光で最も注目に値しますが、実際には、この種の実験は水などのあらゆる種類の波で実行できます。ただし、ここでは、光の動作に焦点を当てます。

実験とは？

1800 年代初頭 (出典によっては 1801 年から 1805 年) に、トーマス・ヤング (Thomas Young) が実験を行った。彼は光が障壁のスリットを通過することを許可したので、光源としてそのスリットから波面に広がりました（下） ホイヘンスの原理 ）。次に、その光は別のバリア (元のスリットから適切な距離に慎重に配置) の一対のスリットを通過しました。各スリットは、あたかも個々の光源であるかのように光を回折させます。光は観察スクリーンに衝突した。これを右に示します。

単一のスリットが開いているとき、それは観察画面の中心に強い衝撃を与え、中心から遠ざかるにつれて弱くなります。この実験には、次の 2 つの結果が考えられます。

粒子の解釈: 光が粒子として存在する場合、両方のスリットの強度は、個々のスリットからの強度の合計になります。

波の解釈: 光が波として存在する場合、光の波は 重ね合わせの原理による干渉 、明るい (建設的な干渉) と暗い (破壊的な干渉) のバンドを作成します。

実験が行われたとき、光波は実際にこれらの干渉パターンを示しました。表示できる 3 番目の画像は、干渉による予測と一致する位置に関する強度のグラフです。

ヤングの実験の影響

当時、これは光が波で移動することを決定的に証明しているように見え、目に見えない媒体を含むホイヘンスの光の波動理論に復活をもたらしました。 エーテル 、波が伝播した。 1800 年代を通じていくつかの実験が行われました。 マイケルソン・モーリーの実験 、エーテルまたはその効果を直接検出しようとしました。

それらはすべて失敗し、1世紀後、アインシュタインの 光電効果 そして相対性理論により、光の振る舞いを説明するのにエーテルはもはや必要なくなりました。再び、光の粒子理論が支配的になりました。

二重スリット実験の拡張

それでも、一度、 光子 光の理論が誕生し、光は離散的な量子でのみ移動するというものでしたが、これらの結果がどのようにして可能になったのかという疑問が生じました。何年にもわたって、物理学者はこの基本的な実験を行い、さまざまな方法で調査してきました。

1900年代初頭、アインシュタインの光電効果の説明のおかげで、光子と呼ばれる量子化されたエネルギーの粒子のような「束」で移動することが現在認識されている光が、どのようにして波の挙動を示すことができるのかという疑問が残りました.確かに、水の原子（粒子）が集まって作用すると波ができます。多分これは似たようなものでした。

一度に 1 つのフォトン

一度に1つの光子を放出するように設定された光源を持つことが可能になりました。これは、文字通り、極小のボール ベアリングをスリットから放り込むようなものです。単一の光子を検出するのに十分な感度を持つスクリーンを設定することで、この場合に干渉パターンがあるかどうかを判断できました。

これを行う 1 つの方法は、高感度フィルムをセットアップして一定期間実験を実行し、次にフィルムを見て、画面上の光のパターンを確認することです。まさにそのような実験が行われ、実際、それはヤングのバージョンとまったく同じように一致しました - 波の干渉によって生じたように見える明るいバンドと暗いバンドが交互に現れました。

この結果は、波の理論を確認すると同時に困惑させます。この場合、フォトンは個別に放出されます。各光子は一度に 1 つのスリットしか通過できないため、波の干渉が発生する方法は文字通りありません。しかし、波の干渉が観察されます。これはどのように可能ですか？さて、その質問に答えようとする試みは、多くの興味深い解釈を生み出しました。 量子物理学 、コペンハーゲン解釈から多世界解釈へ。

それはさらに見知らぬ人になる

ここで、1 つの変更を加えて同じ実験を行うとします。光子が特定のスリットを通過するかどうかを判断できる検出器を配置します。光子が一方のスリットを通過することがわかっている場合、もう一方のスリットを通過して干渉することはできません。

検出器を追加すると、バンドが消えることがわかりました。まったく同じ実験を行いますが、初期段階で簡単な測定を追加するだけで、実験の結果が大幅に変わります。

どのスリットが使われているかを測定するという行為についての何かが、波動要素を完全に取り除いた.この時点で、光子は、粒子に期待される動作とまったく同じように動作しました。位置の不確かさは、どういうわけか、波の影響の現れに関係しています。

より多くの粒子

何年にもわたって、実験はさまざまな方法で行われてきました。 1961年、Claus Jonssonが電子を使った実験を行い、Youngの振る舞いと一致し、観察画面に干渉パターンを作り出しました。ジョンソンのバージョンの実験は、「最も美しい実験」に選ばれました。 物理ワールド 2002年の読者。

1974 年には、一度に 1 つの電子を放出することによって実験を実行できるようになりました。再び、干渉パターンが現れました。しかし、検出器がスリットに置かれると、干渉は再び消えます。実験は1989年に、はるかに洗練された機器を使用できる日本のチームによって再び行われました.

実験は光子、電子、原子で行われ、同じ結果が明らかになるたびに、スリットで粒子の位置を測定することで波動の挙動が取り除かれます。その理由を説明するために多くの理論が存在しますが、これまでのところ、その多くはまだ推測にすぎません。