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

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と波をいったりきたりしました。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、粒子であり波である、という状態を想像することができません。

光電現象

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

光が干渉性を持っていることを実証したのは、2つのスリットを使ったシンプルな実験です。仕組みは簡単で、壁の前に2つのスリットがある衝立を立て、光を当てます。2つのスリットを光が通り、スクリーンに投影されると、両方の光が当たる中央部分が明るくなります。特段不思議なこともない結果ですが、その光の間隔を小さくしていくと、スクリーンに縞模様が現れ始めます。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

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ありません。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つの線になるだけですが、電子の場合は、光を当てたときと同様に縞模様になります。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ましょう。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。しかし、先の実験では1つの電子を順番に飛ばしていただけなので、肝心の干渉する相手がありません。本来は干渉がおこらないはずですが、なぜ干渉がおこったのでしょうか？量子力学では、様々な実験の結果から、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ことが示唆されています。そのため、電子は2つのスリットを通る際に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と考えられます。

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ます。