物理理科量子力学・原子物理学

量子力学の世界を覗くことができる「二重スリット実験」を元理系大学教員がわかりやすく解説

よぉ、桜木建二だ。今回は二重スリット実験について解説していくぞ。二重スリット実験は電子などの粒子が粒子性と波動性を持ち合わすことを示す量子力学の実験だ。

今回は二重スリット実験に詳しいライター、ひいらぎさんと一緒に解説していくぞ。

この記事の目次

解説／桜木建二

「ドラゴン桜」主人公の桜木建二。物語内では落ちこぼれ高校・龍山高校を進学校に立て直した手腕を持つ。学生から社会人まで幅広く、学びのナビゲート役を務める。

ライター／eastflower

10年以上にわたり素粒子の世界に携わり続けている理系ライター。中でもニュートリノに強い興味を持っており、その不思議な性質を日夜追いかけている。今回は量子力学の特異性を観測できる二重スリット実験についてまとめた。

二重スリット実験とはどのようなもの？

image by iStockphoto

二重スリット実験は、原子や電子といった量子力学で扱うような粒子には、粒子としての性質と波としての性質の両方が備わっていることを直接示すものです。元々は光の性質を調べたヤングの実験を、電子のような素粒子で試すとどうなるか、という思考実験でした。ところが、実験技術が進歩していくのにしたがって、電子だけではなく様々な粒子や手法で実際に実験が行われるようになりました。

ヤングの実験

image by iStockphoto

まずは二重スリット実験の元になった、ヤングの実験について紹介していきますね。先ほども言いましたが、ヤングの実験というのは、光の性質を調べるための実験です。中でも、波であること（波動性と呼びます）を検証するために行われました。

まず光がどこに当たったのかを知るために、衝立を用意します。その手前に細長いスリットが二本開いたものを置き、そこに光源から光を当てたとしましょう。光は手前側に置いたスリットを通過して奥にある衝立に当たるのですが、この時、二つのスリットからきた光が干渉しあって、衝立には縞模様が現れるのです。これは干渉縞と呼ばれます。

波を山と谷を持つうねりとして表現すると、二つの波が重なり合う時、山と山が重なるとより高い山に、谷と谷の場合はより深い谷になりますね。また山と谷が重なる部分では互いに打ち消しあい、波が消えてしまいます。このような重なり合いを干渉と呼び、波が持つ特徴的な性質です。

光はこの干渉により衝立に縞を作るため、波動性を持つ、ということになります。

電子でヤングの実験をやってみると？

By 原画（原紙）（原文）: コンピュータが読み取れる情報は提供されていませんが、NekoJaNekoJaだと推定されます（著作権の主張に基づく） Vector: Johannes Kalliauer – File:Double-slit.PNG, CC 表示-継承 4.0, Link

ではこのヤングの実験を電子で試してみたら、どうなるでしょうか。これはアメリカの物理学者リチャード・P・ファインマンによって考え出された思考実験です。

図のように二重スリットと電子がどこに当たったか観測するための特殊なフィルムの貼られたスクリーンを用意しましょう。電子は粒子なので、どちらかのスリットを通過してスクリーンにぶつかり、電子の跡を一つだけ作るはずです。実際に光電効果やコンプトン散乱といった実験で、電子が粒子であることは確認されています。ですので、これを繰り返していくと、スクリーンにはスリットと同じように二つの模様ができると予想できますね。

ところが、実験を行ってみると、スクリーンには光の時と同じように濃淡が交互に現れる干渉縞が観測されるのです。

ちなみにスリットが一つの場合には干渉縞は生じず、スクリーンには粒子が当たった分だけの模様が一つできます。