二重スリット実験は、量子世界の二重性を示しています。光子の波動/粒子の二重性は、観察されると影響を受けます。
光は、物理学者が身の回りの世界に疑問を持ち始めて以来、主要な調査分野の 1 つです。当然のことながら、それは私たちが世界を見て、測定し、理解するための媒体であるため.それは私たちの想像力に強力な象徴性を持ち、私たちの宗教に反映され、聖書で有名に引用されています.
厳密な科学は、光に関する私たちの無知を明らかにしました。 1800 年代まで、光はニュートン物理学によって証明された粒子で構成されていると考えられていました。
これは、銃から弾丸が発射されるように、光が直線的に移動するのを見るので、かなり直感的にわかりました。
直進する光 (写真提供者:nobeastsofierce/Shutterstock)
しかし、自然はしばしば私たちの予想よりも奇妙であり、光の奇妙な振る舞いはトーマス・ヤングによって最初に示されました.この実験は、自然の微細な仕組みに関するいくつかの興味深い洞察を提供し、光、物質、および現実そのものについて私たちが知っているすべてに挑戦しています.アインシュタインを含む伝説的な科学者を困惑させた実験をもう一度見てみましょう!
二重スリット実験
実験は非常に簡単で、部品はほとんどありません。 3 つの主要コンポーネントがあります:
- 光または物質の源 – 光子、電子、弾丸
光または物質 (光子、電子) を発する源 (写真提供:VectorKnight/Shutterstock)
• ソースが通過する 2 つの狭いスリット。
2つのスリット
• ソースがその印象を与えるプロジェクション スクリーン。印象のパターンは、それが波なのか粒子なのかを教えてくれます。
印象用プロジェクター
この実験の目的は、光と物質の根底にある構成を確認することです。
おなじみの機関銃からの弾丸から始めましょう。私たちの銃は、2 つのスリットの範囲に向かって一定の間隔で弾丸を発射します。
弾丸を使った実験
プロジェクターに 2 本の直線が表示されます。グラフのパターンは 2 つの山のパターンです。ここで、山はインプレッション ポイントを意味し、谷は空の場所を意味します。
ここで注意すべきことは、S2 を閉じて銃を発射すると、1 つの線だけが表示されることです。したがって、S は S1 と S2 の合計に等しい、つまり S =S1 + S2 と安全に言えます。
S =S1 + S2
実験の次の光源は光です。印象は、2 つのスリットから光子の束が発射されたときに表示されます。どのようなパターンが出てくると思いますか?弾丸と同じですか？光は弾丸のような粒子で構成されているため、パターンが同じであると言っても過言ではありません。
波として移動し、互いに衝突する光子 (写真提供:magnetix/Shutterstock)
しかし、驚いたことに、印象は 2 本の直線ではありません。出現するグラフパターンは干渉パターンです。中央が最も明るい印象で、両側が後退しています。干渉パターンは、2 つの波が互いに干渉する場合にのみ作成されます。他に考えられる説明はありません。このパターンは、光が波のように動いていることを示しています。
二つのスリットからの波がぶつかり合っています。 2つの波がぶつかり合うことで生まれる独特の造形があります。波には山 (上の部分) と谷 (下の部分) があります。
波の山と谷 (写真提供:Kicky_princess/Shutterstock)
ある波の頂点が別の波の頂点と衝突すると、追加されて建設的な干渉が形成され、プロジェクター上に明るいスポットとして表示されます。ある波の山と別の波の谷が衝突すると、それらは互いに打ち消し合い、破滅的なパターンを形成します。その結果、プロジェクター上の印象の間に暗い斑点が生じます。
波の建設的および破壊的干渉 (写真提供:Fouad A. Saad/Shutterstock)
2 番目のスリットが閉じられ、実験が再び行われます。 1 つのスリットを通過すると、光子は直線を形成します。ここで、S は S1 と S2 の合計に等しくないことに注意してください。これは、光の波動と粒子の二重性が注目される場所でもあります。
S は S1 + S2 と等しくありません
この啓示は光に対する私たちの考え方を変えましたが、うさぎの穴はそれだけではありません。実験をさらに繰り返すと、事態はさらに奇妙になります。現在、多数の光子を一緒にフラッシュする代わりに、単一の光子のみが一定の間隔でスリットから発射されます。それが単一の光子であり、相互作用する他の波がないことを考えると、光子はプロジェクター上で単一の線を作ると言えますが、結果は直感に反します。プロジェクターのフォーメーションはまだ干渉パターンです!
単一光子は同じパターンを示します (写真提供者:magnetix/Shutterstock)
どうすればいいの？単一の光子は、その後に来る光子についてどのように知り、一緒に撃たれるグループのパターンに似たパターンを形成することができますか?
これが量子の不気味さの始まりであり、物事はかなり遠くまで行きます。単一の光子が両方のスリットを通過し、それ自体と衝突して干渉パターンを形成しているように見えます。これは、ニュートンスケールで見られる法則に従わないため、物理学者を大いに悩ませてきました.大きな集合体は、その小さなコンポーネントの動作とは異なる方法で動作するように見えることが判明しました.
さあ、ホームランを打って、この奇妙さを別のレベルに引き上げましょう。実験のこの最後の繰り返しは、自然の不条理と、私たちの世界が本当にいかに奇抜であるかを理解させるでしょう.
観察は現実に影響を与える
この時点で、単一の光子が両方のスリットから同時に移動し、それ自体と衝突して干渉パターンを形成することが確立されました。古典物理学が指示するように、同じ光子が 2 つのスリットを同時に通過することは不可能です。おそらく、それは自分自身を 2 つの部分に分割し、自分自身と相互作用しているのでしょう。知る唯一の方法は、見ることです。スリットの 1 つに検出器が配置されているため、光子がスリットを通過すると、検出器がそれを識別します。
検出器の追加
光子がスリットを通過すると、検出器がそれを識別します。プロジェクターに映し出される模様は一本の線です。
光子は、観測されると粒子として機能します。
量子スケールに慣れてきたと思った瞬間、物事が頭から離れなくなります。光子を測定または観察する行為は、光子が 1 つの経路のみを通過するようにし、粒子のプロジェクターに印象を与えます。それ自体と相互作用しなくなり、干渉パターンは現れません。検出の度合いを変えて実験を行うと、光子が通過するたびに検出が暗くなる (たとえば、7 ～ 10 個の光子が検出され、その数が減少し続ける) と、干渉パターンがゆっくりと再び現れ始めます。光子は、観測されていないときは波として作用し、観測されているときは粒子として作用します。
さまざまな解釈:
二重スリット実験は、科学史上最も繰り返された実験の 1 つです。電子、原子、分子、さらにはバッキーボールのような複雑なフラーレンが実験のソースとして使用されています。すべてのソースを使用して同じ結果が得られます。このパターンは、光と物質の両方で一貫しています。
量子スケールのものは、マクロスケールの決定論的法則に従っていません。この量子現象には多くの解釈があります。コペンハーゲン解釈では、干渉パターンは光子のすべての可能性のある関数 (波動関数) であり、それを観察または測定する行為により、波は多くの選択肢の 1 つを選択する (波動関数の崩壊) と述べられています。
もう 1 つの解釈は多世界理論です。この理論では、光子の波動関数のすべての可能な状態が同時に存在し、私たちの検出は波動関数のこの特定のインスタンスにすぎないと述べています。
理論は暴走する傾向があり、量子領域は頭を包むのが少し滑りやすいと言っても過言ではありません.しかし、あなたは良い会社にいるので、気分を悪くする必要はありません.リチャード・ファインマンが言ったように:
