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「世界一ふしぎな実験」を腹落ちさせる2つの方法

誕生から115年、天才たちも悩んできた
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どうしても「腑に落ちない」実験

むかし、大学で初めて量子力学を教わったとき、「二重スリット実験」が理解できずに苦労した憶(おぼ)えがある。

いや、古典的な「ヤングの干渉実験」なら、「波の重ね合わせ」の図を描いて勉強したからわかるのだけれど、水の波が量子の波になった瞬間、いきなりチンプンカンプンになってしまうのだ。

今回は、そのチンプンカンプンが「腑に落ちた」話を書こうかと思う。

だが、まずは古典的なヤングの干渉実験から説明することとしよう。トーマス・ヤングは、1805年に光を2つのスリット(縦長の切れ目)に当たるようにしたところ、2つのスリットを通り過ぎた光が「干渉」を起こして、最終的に縞々模様になることを発見した。

【写真】トーマス・ヤング
  トーマス・ヤング
【図】ヤングの干渉実験
  ヤングの干渉実験

干渉模様ができるのは、それぞれのスリットを通り抜けた波が、互いに干渉し合うからだ。つまり、山と山(または谷と谷)が出会うと波が強くなり、山と谷が出会うと打ち消し合って波がなくなるのである。

この波の強さは、専門用語では「振幅」といい、光の場合でいえば「明るさ」に相当する。光の波が強め合う場所は明るくなり、弱め合うと暗くなるわけだ。

シュレ猫「縞々模様ができたから、光は波にゃ?」

そう、光の本質は波だということをヤングは証明した。

この実験の背景には、「光は粒子か波動か」という論争があった。たとえばニュートンは、光の本質は粒子だと考えていた。でも、ニュートンほどの大家であっても、たった一つの実験によって自説を撤回せざるをえない。ヤングの実験は、まさに科学の鑑(かがみ)みたいな実験だといえよう。

金欠が「量子」の概念を生み出した!?

ところが、事はさほど単純ではない。この結論は、「量子」の実験になると一気に瓦解するのだ。

そこで、次に量子の干渉実験を説明しよう。といっても、光を使う点は同じだ。なぜなら、光も量子の一種だからである。

ただし、量子である点を強調するときは、光ではなく「光子」(photon)という言葉をつかう。研究者によっては、光子ではなく「フォトン」とだけよぶ人もいる。

量子版のヤングの実験では、電球みたいに一気に光を出すのではなく、光子を一粒ずつ発射する。

あれれ? 光は粒子ではなく波だと結論したばかりなのに、どうして一粒ずつ発射できるのさ。ヤングの実験はいったい何だったの?

ええと、ヤングの時代には、量子という概念は存在しませんでした。量子という考えは、1900年にマックス・プランクが導いた公式に初めて登場する。

【写真】マックス・プランク
  マックス・プランク photo by gettyimages

それまで、エネルギーは連続的に変化すると信じられていたが、プランクは、エネルギーが飛び飛びに変化し、さらにはエネルギーに最小単位、すなわち「量子」が存在すると考えたのだ。

シュレ猫「日本円に1円という最小単位が存在するのと同じかにゃ?」

似ているといえば似ているかもしれませんね。元・日産会長のカルロス・ゴーンさんみたいに90億円も報酬をごまかしていたら、1円なんてゼロに近いから、1円から2円への変化が「飛躍」ではなく無限小で「連続」に見えるかもしれないが、私みたいに月額8000円の携帯電話料金を3000円にして喜んでいるような人間にとっては、1円は立派な単位である。

要は、世界はアナログかと思っていたらデジタルだった。プランクがそこに気づいたということ。プランクさん、お金に困っていたんでしょうかねぇ。

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