量子力学の世界

史上いちばん奇妙な実験

壁に細い隙間を2本あけて、奥にスクリーンを置きます。道具はこれだけです。

それなのに、この実験の結果で常識が壊れます。まずは結果が予想できるボールから試しましょう。

ボールを投げ続けたら

問題：2本の隙間に向かって、小さなボールを何千回も投げ続けます。奥のスクリーンにはどんな跡が残りますか？

1. 隙間の形のまま、2本の帯ができる（正解）
2. 明るい帯と暗い帯が交互に並ぶ
3. スクリーン全体に均一に散らばる

解説：粒として飛ぶものは、通れた隙間の真後ろにしか行きません。だから隙間の数だけ帯ができます。ここまでは想像どおりのはずです。

波を重ねてみる

スリット間隔のスライダーを動かしてみてください。強くなる場所と消える場所がどう並び変わるかを見ます。

強め合いと、打ち消し合い

山と山で大きくなり、山と谷で消える。波が重なって強弱ができる現象が干渉です。

強め合う場所と消える場所が交互に並び、縞模様ができます。波だけの特別な現象です。

縞は何を意味する

問題：2本の隙間の奥のスクリーンに縞模様が出ました。隙間を抜けてきたものについて、何が言えますか？

1. 飛んできたものが、隙間の両方を通って重なった（正解）
2. 飛んできたものが、片方の隙間だけを通った
3. 飛んできたものの数が、とても多かった

解説：縞は、2か所から出た波が重なったときにだけ現れます。片方だけを通ったなら、重なる相手がいないので縞にはなりません。

電子でも、縞が出た

ここからが本番です。ボールではなく、原子の中にある電子を2本の隙間へ飛ばします。

現れたのは2本の帯ではなく縞模様でした。粒のはずなのに、波のように動いています。

1粒ずつ撃っても、縞が出た

1989年、日立の外村彰らは電子を1個ずつ時間をあけて撃ちました。最初は点がぽつぽつ付くだけです。

ところが点が数万個たまると、また縞が浮かび上がりました。同時に飛ぶ相手はいないはずなのに。

相手がいないのに

問題：1粒ずつしか飛んでいないのに縞ができました。これは何を意味しますか？

1. 粒どうしが、飛んでいる途中でぶつかっている
2. 1粒が、両方の隙間を同時に通っている（正解）
3. スクリーンの側が、勝手に縞を作っている

解説：重なるには2か所から広がる必要があります。相手がいない以上、その1粒が両方を通ったとしか言えません。ここが常識の壊れるところです。

どちらも、同時に

1粒が両方を通った。このように、いくつもの可能性が同時に重なる状態を重ね合わせといいます。

右か左か、どちらか一方には決まっていないのです。

二重スリット実験室

隙間に装置を置けば、どちらを通ったか分かるはずです。観測のスイッチを入れたり切ったりして、右端に積み上がる模様の変化を見てみましょう。

見たとたん、粒に戻る

どちらを通ったか調べたとたん、縞は消えて2本の帯に戻りました。調べるのをやめると縞に戻ります。

どちらを通ったか調べることを観測と呼びます。調べた瞬間に、結果が1つに決まるのです。

○か✕か

○か✕か：縞が消えるのは、人が意識して見つめることで結果が変わるからだ。

答え：✕。人がいなくても同じことが起きます。装置がその粒に触れて情報を取り出せば、そこで決まります。意識ではなく、どちらを通ったかが外に残るかどうかの問題です。

両方きっちりは、測れない

1927年、ハイゼンベルクは不確定性原理を示しました。粒の位置を絞るほど速さがぼやけ、速さを絞ると位置がぼやけます。

そのため原子の中の電子は、点ではなく確率の雲として描かれます。

測定器の問題ではない

問題：位置と速さを両方きっちり測れないのは、なぜですか？

1. 測定器の性能が、まだ足りていないから
2. そもそも両方が同時に決まっていないから（正解）
3. 測るのに時間がかかりすぎるから

解説：装置を良くしても解決しません。粒はもともと決まった位置を持っておらず、決まっていないものを読み取ることはできない、という話です。

決まっていない、という答え

• 縞模様は、2か所から広がった波が重なったときにだけできる
• 1粒ずつでも縞ができる。つまりどちらも同時に通っている
• どちらか調べたとたん一方に決まり、縞は消える
• 位置と速さも両方同時には決まらず、電子は確率の雲として描かれる

総仕上げ

問題：1粒ずつ撃っても縞ができるのに、どちらを通ったか調べると縞が消えます。この2つから言えることは何ですか？

1. 粒は最初から片方を通っていて、縞は別の理由で出ている
2. 調べる前は決まっておらず、調べた時点で一方に決まる（正解）
3. 粒は波と粒が交互に入れ替わりながら飛んでいる

解説：新幹線のジャンプから始まって、決まっていない粒まで来ました。物理は毎回、動かないと思っていたものを1つずつ手放してきたのです。おつかれさまでした。明日スマホを充電するとき、GPSで道を調べるとき、日差しを浴びるとき。その裏で動いている法則を、もう自分の言葉で説明できます。