【量子力学入門③】壁に開けた二つの穴が、物理学者を発狂させた話

【前回までの記事】
①物理学が詰んだ日

②特許局の職員が、物理学界の重鎮に一人で喧嘩を売った話

前回、光は「波」であることが確かなのに、「粒」でもあるらしいという、気まずい話をした。そしてさらに気まずいことに、電子の方でも同じような不審な動きが見つかり始めていた。

「波だと思っていた光が粒で、粒だと思っていた電子が波らしい」

この時点で、もう何が何だかわからない。だが物理学者たちは、ここで一つ、とてもシンプルな実験を思いつく。シンプルなのに、結果は誰の予想も裏切る、という意味では、物理学史上もっとも意地の悪い実験でもある。

「二重スリット実験」と呼ばれるものだ。

まず、壁を一枚用意する。その壁に、縦に細長いスリット(切れ込み)を二つ開ける。壁の向こうには、もう一枚、何かが当たった跡を記録できる板を置いておく。壁の手前から、何かを投げつけて、その「何か」がスリットを通り抜けたあと、どういう模様を奥の板に残すか、それを見る実験である。

まずは、誰でも納得できる話から始めよう。「何か」が、ビー玉のような、ただの粒だったとする。

ビー玉を、二つのスリットに向かってランダムに投げ続けるとどうなるか。一部はスリット①を通り、一部はスリット②を通り、残りは壁に弾かれて落ちる。奥の板には、スリット①の真後ろと、スリット②の真後ろに、それぞれ一つずつ、ビー玉の跡が集中した「山」ができる。山が二つ。常識的な、何の不思議もない結果だ。

次に、「何か」が、水面の波だったとする。

水面に波を起こして、二つのスリットに向かわせる。波は両方のスリットを同時にくぐり抜け、その先で再び広がっていく。ここで面白いことが起きる。スリット①を通った波と、スリット②を通った波が、奥の板の手前でぶつかり合うのだ。

ぶつかった波どうしは、タイミングが合えば互いを強め合い、タイミングが外れれば互いを打ち消し合う。これを「干渉」と呼ぶ。結果として奥の板には、強め合った場所と打ち消し合った場所が交互に並んだ、縞模様ができあがる。これが波ならではの「干渉縞」である。山が二つではなく、何本もの縞模様になる。これが、波の証である。

ここまでは、何の問題もない。ビー玉は山二つ、波は縞模様。役割分担はきっぱりしている。

ここで物理学者たちは、電子を使って同じ実験をやってみた。電子は「粒」だと思われていたものだから、当然ビー玉と同じ、二つ線の模様ができるはずだ、と誰もが思っていた。

電子を一個ずつ、スリットに向かって発射する。一個ずつ発射しているのだから、その電子はスリット①かスリット②のどちらか一方を通るはずだ。一個の電子が、同時に二つの場所を通り抜けるなんてことは、常識的にありえない。

しかし、十分な数の電子を発射し終えたあと、奥の板に残った模様を見て、物理学者たちは言葉を失った。

そこにあったのは、山が二つの模様ではなく、縞模様だった。波の証であるはずの、あの干渉縞である。

電子は一個ずつ、間隔を空けて発射されている。だから「複数の電子どうしがぶつかって干渉した」という言い訳は使えない。一個の電子が、まるで自分自身と干渉するように振る舞っているとしか、説明がつかなかった。

ここで誰かが、「もしかして、電子がどちらのスリットを通ったか、こっそり覗いてみたらどうなるんだ」と言い出した。賢明な思いつきである。電子がスリット①を通ったのか、スリット②を通ったのか、それを確認できる観測装置を、スリットの近くに設置してみたのだ。

すると、信じがたいことが起きた。

電子がどちらを通ったかを「見た」瞬間、奥の板にできる模様は、縞模様から、ビー玉のときと同じ、山が二つの模様に変わってしまったのである。

誰も見ていないときは、電子は波のように振る舞い、両方のスリットを同時に通り抜けたかのような縞模様を作る。誰かが見ている(観測している)ときは、電子はおとなしく粒として振る舞い、どちらか一方のスリットだけを通る。

見られているかどうかで、振る舞いそのものが変わる。

これは、もはや「光は波でもあり粒でもある」という、前回の気まずさとは次元が違う話だった。電子は、観測されるまでは「どちらのスリットを通ったか」という問いそのものが意味を持たない、ぼんやりとした状態でいる。観測という行為そのものが、その「ぼんやり」を一つの答えに無理やり固定してしまう。

まるで、誰も見ていない部屋では二つのドアを同時にくぐっておきながら、見られた瞬間だけ「もちろん最初からこっちのドアを使ってましたよ」と取り繕う、極めて気の利いた泥棒のような振る舞いである。

物理学者たちは、ここでようやく、自分たちが何に足を踏み入れてしまったのかを理解し始めた。これは単に「光や電子の正体が変わっている」という話ではない。「観測する」という、人間が当たり前にやっている行為そのものが、世界の振る舞いに直接介入している。そういう話だったのだ。

なぜ見られると変わるのか。見ていないとき、電子はいったいどこにいるのか。

この問いに、物理学者たちは長い間、頭を抱え続けることになる。

そして、その悩みを極限まで悪化させたのが、一匹の猫だった

次回　【量子力学入門④】世界一有名な猫の話