二重スリット実験・観測問題を宇宙一わかりやすく物理学科が解説する

こんにちは大学で物理の研究をしているしば@akahire2014です。

量子コンピューターが最近話題になって、量子力学というものを聞くことがあると思います。

ただ「量子力学って調べてみるけど、全然わからない。。。」

そうなるのも当たり前です。

僕は高校生の時に量子力学に興味を持って、大学の物理学科に進学しましたが、量子力学を学び始めたときは全然わかりませんでした。

この記事では量子力学という単語初めて知った超初心者の方向けに「二重スリット実験」と「観測問題」について解説してみました。

量子力学の量子って何?

量子というのは簡単に言うとめっちゃ小さい粒々(厳密ではない)のことです。

高校や中学校の理科の授業で、原子というものについて習ったことがあると思います。

「すべての物質は切り刻んでいくと原子という最小単位の粒々で出来ている。原子をもっと分けると原子核と電子に分けることができる。」

実は原子核の中にもまだまだ粒々が入っていて、その粒々の中にはまた粒々が入っています。

ややこしくなってきたので整理してみましょう。

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驚くかもしれませんが、陽子の中にもまだ粒々が入っています。

この陽子と電子くらいの大きさの世界を量子力学では扱っています。

私たちの日常のスケールが大体1m定規くらいのスケールだとすると、量子力学の世界は大体10-10m以下くらいのスケールです。

つまり1m定規を10000000000回切り刻んだくらいの世界になっています。

  • 量子力学の世界はめっちゃ小さい
  • 定規のメモリを100億回以上切り刻んだくらいの大きさ

事前準備

二重スリットの実験では波の回折と干渉という現象が起こるのですが、これらがどういう現象かここで説明しておきます。

回折

波は回折という現象を起こします。これは狭い隙間を波が回りこむ現象です。

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干渉

隙間を二つ作ってあげましょう。こういう隙間のある板をスリットと言います。

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干渉と聞くと難しく感じるかもしれませんが、要するに波の足し算が起こっているだけです。

画像の緑色の部分では波が重ねあわさって高くなっています。それを横から見たのが下の画像です。

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逆に逆向きの波が重なると低い波ができます。
また同じ高さで逆向きの波がくると高さは0になります。

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強め合いと弱め合いが起こると、結果波の干渉によって以下のようなパターンが観測されます

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白いところでは波が高くなっていて、黒いところでは波がゼロになっているので波が届いていません。

2重スリット

ここまで理解できたら二重スリットの実験もだいぶ理解しやすくなります。

用意するもの

  • 電子銃(電子を打つことできる)
  • スリット(隙間のある板)
  • スクリーン

1重スリット

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上の写真のような装置を組み立てます。

スクリーンには電子が当たると、跡がつく塗料を塗っておきます。

電子銃から電子が打たれると、もちろん沢山の「点々」の跡がスクリーンに残るはずです。

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2重スリット

次にスリットの数を増やしてみます。

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常識的に考えると、電子は粒なので

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しかし何回も電子を打つ実験を繰り返すと、実際にはこのようになります。

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この模様、波の干渉のところで説明した模様とよく似ています。

当時の物理学者たちは、「粒々の電子をたくさん打ったから粒が集まって波みたいになったんだろうか?」と考えました。

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それでは粒々の波ができないようにしてあげればいいのです。電子銃から電子を1個ずつ打っていきましょう。そうすれば粒の波はできません。

実際に当時の物理学者たちも同じことを考えて実験をしたそうです。しかし結果は変わらず、なぜか波の干渉模様が観測されたのです!

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整理してみましょう

スクリーンについた跡を一つずつ見てみると粒のような跡がついている。従って「電子は粒である」
何回も電子1個ずつ打ち込んでいると波の干渉模様ができる。従って「電子は波である」

二つの矛盾する結論が出てきました。

これを無理矢理理解すると、

「電子は波であり、かつ粒である。」

となります。

観測問題

「粒であり波であるとかありえない!!」と当時の物理学者たちでさえそう思いました。

そもそも電子はつぶつぶなはずなので、スリットの隙間のどちらかを通っているはずです。

それならばスリットの隙間のところに観測機を置いて電子がどちらのスリットを通ったのかを調べてあげれば良さそう。。

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そうすると、もちろん2つの隙間において半々の確率で電子が観測されました。しかしその時また奇妙なことが起こりました。

スクリーンについた模様を見てみると

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もう何が何だかわけがわからなくなってきます。そこで「観測機をめちゃくちゃ置いたらいいんじゃ?」となりますが、これはうまくいきません。

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私たちは、ものを見る時に「そのもの自体に影響を与えずに観測ができる」と思い込んでいますが、実はそうではありません。

例えば、暗闇にいる静止している猫を見るとしましょう。その時には暗闇にいる猫に向かって光を当ててあげれば猫の状態を正確に特定できるでしょうか?

そうではありません。光を当てたことで、猫の状態は本当にわずかにですが変化するはずです。(温度が上昇、観測できないくらい光で動くetc….)

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日常の世界では、光が与える影響など無視できるくらいに小さいので何の問題もありません。しかし、量子力学の世界はこの影響すら無視できないくらいに小さい世界です。

そのため、途中で観測しては2重スリットの実験自体が意味を持たないものになってしまうのです。

これが二重スリットの実験でよく語られる「観測問題」の意味です。

結局波なの粒なの?

確率の波であり観測すると粒である

です。現代に置いては量子力学での波はただの波じゃなくて確率の波であると考えられています。

コペンハーゲン解釈

奇妙ですが、粒子はどこにでも確率的に存在できる。観測した瞬間に確率が収束してある一点に存在するようになるという結論に達しています。

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難しそうに見えますが

電子は「見られると粒になるが見られていない時は波になっている」

ということです。

そしてこの確率波の考えた方を原理として理論を組み立てたり実験すると何の矛盾も起きていないのでこれが事実だと考えられています。

このような考えたかをコペンハーゲン解釈と言ってほとんどの物理学者がこれを信じています。

多世界解釈・マルチユニバース派

一方、「観測した瞬間に確率波が収束するのは認めるがその他の可能性が消え去ったわけではない。確率ごとに世界が分岐しているのだ」とするのが多世界解釈・マルチユニバース論派の人たちです。

結構SFじみてますが、面白い考え方ですよ。本当にそうだったらヤバいですね。

隠れたパラメーター(hidden parameter)派

アインシュタインがこの派閥?だったそうですが、この派閥の人たちは確率派の存在自体を認めていません。

「確率波は存在せず、何か隠れた変数(パラメーター)があるはずだ」

という主張です。

アインシュタインはこんな名言を残しています。

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まとめ

結構ややこしかったですが、ここまで読んでくれた人は雰囲気だけでも分かったはず!

二重スリットの実験で分かることをまとめておきます。

  • 電子は粒であり確率の波である
  • 電子1個でも波として振る舞う
  • 観測自体が電子の状態を変えてしまう
  • 観測した瞬間確率の波が収束する
  • コペンハーゲン解釈が信じられている

【追記】観測機が観測した瞬間確定するのかor人間が見た瞬間確定するのか??

二重スリットの実験は観測機が観測した瞬間、電子の確率波が収束するというものでした。

「観測機が観測する」というのはミクロに考えるとどういうことでしょうか?それは観測機が電子と力の相互作用を起こしているということです。その影響が観測そのものであるはずです。

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僕は「確率波は観測つまり力の相互作用が起こった瞬間に収束するもの」だと考えていました。

つまりは、人間が観測しようと観測機が観測しようとそこに本質的な差はないと。

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しかし、この記事を書こうと調べなおしてると、こんな実験がありました。

Wave particle duality of C_60 molecules

これnatureの論文なので購読していないと見られないですが。。

1999年にはアントン・ツァイリンガーが、電子や光子のような極微の粒子の替わりに、フラーレンという大きな分子を使って同様に実験した場合にも、同じような干渉縞が生じるのを確認している[4][5]。ツァイリンガーは次にウイルスによって干渉縞を生み出すことを目標としている[6]。

引用:wikipedia

C_60つまりフラーレンというのはサッカーボール状の炭素分子のことです。

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分子なのでもちろんこの分子自体が相互作用して結合状態を保っているわけです。

力の相互作用が起こった時に確率の波が収束するのならフラーレンで二重スリットの実験をしても波の性質はでてこないはずですよね?

しかしアントン・ツァイリンガー氏がフラーレンで二重スリットの実験をしたところ干渉縞が観測されたようです。

論文を読んで彼の行った実験を見てみると以下のような実験をしていました。

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かなり簡略化していますが、実験の大まかな内容はこんな感じです。なんと、もともと力の相互作用を起こしている系でも確率の波が現れてしまったのです。

ということは、「人間の観測」と「機械の観測」の間に本質的な違いが出てしまいます。

以下のような思考実験をしてみましょう。実験装置を丸ごと箱に入れて見えなくしてしまいます。

しかし箱の中では観測機が電子がどっちを通ったか観測してくれています。観測した(力の相互作用が起こった)瞬間電子の確率波は収束し粒に戻るはずなので、スクリーンに映る模様は人間が見ていなくても箱の中で粒の模様になっているはずでした。

しかしフラーレンの2重スリット実験で干渉縞が見えたということは、力の相互作用があっても確率波が収束するとは限らないということです

つまり人間が観測して初めて確率波が収束するのでしょうか?

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もしそうだとすると、「人間の持っている意識や自我が何か普通の物理法則や自然を超越した何かである」ということになってしまいます。

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ここら辺、何が正しいのかは現代の物理学でもわかっていません

僕も結局よくわからなくなってきましたが、物理学が進みすぎて哲学的な領域にまで足を踏み入れたことはとても面白いですね。