SCIENCE

波と粒子について

2009年8月26日

光りは粒子であって、波でもあるという不思議な状態にあるのですが、それってどういうことなんでしょう?

物理学で時にはニュートンが粒子だと断言したり、その後の実験結果で波が定説になり、それをアインシュタインが再び粒子だと光電現象を発表してノーベル賞を取ったりと、時代によって光は粒子だったり波だったりしたそうです。
その後多くの実験によって、光は粒子であり、波であるという実験結果が得られるわけですが、なるほど、と納得したような気になっても、よくよく考えるといまいち納得できないんですよね。

光電現象

中目黒webデザインとランチブログ

アイシュタインは、金属に光を当てて、光が金属の中の電子を弾き飛ばすという光電現象を実証してみせました。この現象は、光を粒子と考えるのが自然です。

ただ、干渉の実験をすると、光は波の性質も持っていることがわかります。

干渉の実験

干渉の実験は、2つのスリットを用いて、光が干渉性を持っていることを実証します。2つのスリットの光がスクリーンに投影されるとき、両方の光が当たる中央部分が明るくなるというのは理解しやすいと思います。その光の間隔を小さくすると、スクリーンに縞模様が映し出されます。これが、光が波動であることを示す現象です。

どういうことかというと、水面に2つの小石を投げた状態を思い出してもらえればわかりやすいのですが、光の波長が干渉して強め合ったり、弱め合ったりして縞模様ができるということです。これは波に特徴的な性質です。

2重スリット実験

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光は粒子であり、波でもあるということが2つの実験で実証されているのですが、実はそのような性質は光だけではないんですね。光の代わりに電子を使っても、やっぱり干渉縞が見られるんです。

どのような実験かというと、2つのスリットに光を通す代わりに、1つの電子を飛ばします。発射された電子はスリットを通り写真乾板に当たって小さな丸い跡を残します。1つの電子だけでは縞模様ができるかどうかはわからないので、引き続き1つずつ電子を飛ばす作業を続けます。
2つのスリットを通った電子が無数の跡を残すと、次第に、多く電子が当たった箇所と、あまり当たらなかった箇所ができてきます。通常の世界では、たとえば電子ではなくボールが壁に当たっているのであれば、ボールの跡はスリットを拡大したような2つの線になるのですが、電子の場合は、縞模様になります。これは電子も波動性があることを示しています。

ここで干渉についておさらいしたいのですが、干渉とは、複数の波の重ね合わせによって新しい波形ができることです。先の実験では1つの電子を飛ばしただけなので、干渉がおこらないはずですが、電子はどこか1点に存在するのではなく、空間に確率的に存在しているので、2つのスリットによって確率的に存在する自分同士が影響し合い、干渉縞を作っていたのです。

この実験の際、どちらかのスリットで電子が通ったかを観測すると、観測したことにより電子は粒子として振る舞うようになり、干渉縞ができなくなります。

何から何まで不思議な話ですが、量子力学における波動力学では、すべての物質は波としての性質を併せ持つものとされているようです。
うーん、書いているうちにまた混乱してきたので、これで終わりにします(笑)。

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