四方山話 (やってみよう「量子消しゴム実験」)(2022年10月12日)
去る１月２３日の記事で紹介したが、何年か前にアメリカのある雑誌に「やってみよう！量子消しゴム実験」という記事が載った。微視的世界では過去に起きた出来事を時間が経ってから消去することができる、少なくともわれわれの常識に従って判断する限りそのように判断せざるを得ない場合がある。そのことを家庭でもできる実験で確かめるという内容の記事だった。
前回紹介した時には、写真がうまく撮れず、説明に迫力が欠けたように思う。今回もう一度試みたところ、途中で起きたまったくの偶然、怪我の功名で、思いがけずいい写真が撮れた。それらを使ってもう一度、記事の内容を紹介してみようと思う。確かに微視的世界は不思議に満ちている。
と言うか、そういう世界に切り込むことのできる数学の力に、そこで生じている不思議としか言いようのない現象をその論理で理解できることに、少なくとも私はむしろ驚異を感じると言う方が正直かもしれない：
図のようにアルミ箔に針の先で小さな穴を二つ開ける。このアルミ箔を二つの穴が横方向に並ぶように立て、一方の面にレーザーポインターで光を当て、穴を抜けた光をもう一方のある程度離れた位置（私は６メートルほど離した）に置くスクリーンで受け止める。次の二つの写真の内右側が、その時にスクリーン上に見られる模様である。
左側は、二つの穴の内一方を紙で覆った時、つまり穴が一つだけの時、スクリーン上にできる像である。
この縞模様ができる原因については、「波の干渉」という言葉と共に、どこかで見たり聞いたりしたことがあると思う。光は波であるとすれば、二つの穴を通過してできた二つの波は、それぞれ円錐状に広がり、スクリーン上で重なって干渉を起こすという考え方である。波の山と山、あるいは谷と谷が重なればより大きな山や谷ができるし、山と谷が重なれば互いに打ち消し合う。山の高さや谷の深さが光の明るさとなってわれわれの眼に映る、と考えれば、波の考え方はこの縞模様を見事に説明してくれる。
あるいはむしろ、この縞模様の出現こそが、光は波であることの証拠であるという解釈もできる。一つの穴だけでは、上の二枚の写真の左側のように、単にほぼ同じ強度の明るさで広がるだけである。しかし穴を二つ開けると、スクリーン上の位置によっては、穴一つの場合に明るかったにもかかわらず暗くなったり、あるいは逆にずっと明るくなったりする箇所が生じる。これは、二つの穴からやって来る波が互いに干渉している証拠だと、確かに解釈したくなる。
ただ、ここ百年ほど前から、話はそう簡単でないことが明らかになってきた。まず、光電効果の発見があった。昨年５月１３日の記事に書いたが、光を金属表面に当てると電子が飛び出す。光のエネルギーをもらった電子が、原子核からの束縛を振り払って外へ飛び出す現象である。この光電効果の様子を観察してみると、光の運ぶエネルギーは粒々の塊となっていることがわかる。光のエネルギーが空間に連続的に広がり運ばれているとすると説明できない現象が、実際に起きるのである。
このエネルギーの塊を光子（フォトン）と呼ぶのだが、従って光は、光速で飛ぶたくさんの光子の流れだと考えられる。上に紹介した写真を撮るために私が使ったレーザーポインターからも、たくさんの光子が噴出していることになる。しかし、最近の光学技術の進歩は著しく、光の運ぶエネルギーを非常に精密に制御することができるようになっている。エネルギーを極限まで弱め、光子を一発ずつ、ポツンポツンと射出できるようにまでなったのである。
たくさんの光子を一度に射出するレーザーポインターではなく、そのような弱い光を射出できる「光子銃」を使って、二つの穴の開いたアルミ箔に光を当てるとしよう。一体何が起きるだろうか？
光子銃から射出された光子はたまたま穴から外れる場合もあるかもしれないが、中には穴を通過するものもあるだろう。通過した光子はそのまま進みスクリーンに達するはずであり、スクリーン上のどこかに衝突の痕を残すと考えられる。電子銃から出る光のエネルギーを十分押さえ、一つの光子がスクリーンに到達するだけの十分な時間が経過して後、次の光子一発が送り込まれる、そういう状況を作るとしよう。この時、スクリーン上にポツンポツンと光子の衝突痕が増えていくことになる。
レーザーポインターで一度にたくさんの光子を送り込む状況では、写真で見せたように縞模様ができる。もちろんこの縞模様は、各光子の衝突痕が濃く分布する箇所と、うすく分布する箇所があることを示している。では、光子を一個ずつ時間間隔をあけて打ち込む状況でできる衝突痕は、たくさん集積させる時、同じような縞模様を描くだろうか。あるいは、まったく別の分布、例えばほぼ一様に分布するということがあるだろうか。
レーザーポインターなら買えるが、光子を一発ずつ発射できるような装置は買えない。だから家庭でおいそれとできるような実験ではない。しかしそんな実験で何が起きるかを、今ではネット上で見ることができる。浜松ホトニクスという会社（ある特殊な光学機器の分野では世界に冠たる技術を持つ）が1982年、「単一フォトンによるヤングの干渉実験」という名の動画を YouTube に公開してくれた。動画では光子銃から光子が一発ずつ、二つの穴に向けて打ち出される。すると、後方のスクリーン上にポツンポツンと白い点が現れる。穴を通過した光子の衝突の痕だと解釈できるが、それを見るとまず、光子というものは確かに一塊の小さな物体として到着していることがわかる。決して二つに割れてはいない。更に、それらの点は、最初の内はまったく出鱈目に現れるように見える。がしかし、時間の経過と共に点が集積してくると、次第にある傾向が現れ、数時間後には私が写真で撮ったのとそっくりの縞模様が浮き出してくる。
光子を一発ずつ十分な時間間隔を持って投入し、電子銃からスクリーンまでに一時に二つの光子が存在しない状況下でも、やはり縞模様が現れるのである。一方の穴をふさいだ時にできる衝突痕の分布は、先の写真に示したようにのっぺらぼうである。『各光子はどちらか一つの穴を通過している』と考える限り、スクリーンに衝突する光子は通過してきた穴に対応して二組に分かれる。それぞれがのっぺらぼうの分布をするはずだから、それらが二つ重なったとしても縞模様になることはないだろう。従って、この状況下での縞模様の出現は、『どちらか一方の穴を通過する』のとは違う行動を、各光子がとっていることを示す。
つまり、『二つの穴を同時に通過している』とでも表現せざるを得ない行動を取っているのである。一つの光子は同時に二つの穴の通過を経験し、それらの経験が互いに干渉すると解釈する以外なさそうである。何かの塊と言えばボールや石ころを想いうかべるわれわれにとっては、この光子の振る舞いは、いかにも不思議なものである。
実はもっと不思議なことがある。量子消しゴムと呼ばれる現象である：
上の写真は、アルミ箔に開けた二つの穴を、それぞれ異なる偏光板で覆った様子を撮ったものである。ただ、二枚の偏光板の方向は直交するようにしてある。従って、一方の穴を通過した光子と他方の穴を通過した光子の偏極方向は、互いに直交することになる。この状況下で、レーザーポインターの光を穴に通し、スクリーン上にできる像を撮影したものが次の二枚の内、左側である。
縞模様は現れない。もちろん、光子を一発ずつ投入したとしても、縞模様が現れることはないであろう。縞模様が、二つの穴を同時に通過する光子を意味するとするなら、縞模様が現れないことは、各光子が一方の穴しか通過していないことを意味している。確かに、穴の後方で光子を捕まえ、その偏極方向を調べれば、どちらの穴を通過してきたかが判定できる。
ところがである、上の二枚の写真の内、右側が問題である：二つの穴を覆う偏光板の偏極方向のちょうど中間の方向を持つ偏光板を、アルミ箔の位置とスクリーンの位置との間に置いて撮った写真がこれである。余分に偏光板を置いたがために、少し暗くなって見にくいが、縞模様がはっきりと見える。つまり、この状況でスクリーンに達する各光子は、二つの穴を同時に通過してやって来たのである。
ここでよく考えて頂きたい：各光子が最後の偏光板に遭遇するのは、穴を通過した後である。先に述べたように、アルミ箔と最後の偏光板の間で光子を捕まえ、その偏極方向を測定すればどちらの穴を通過してきたかが必ずわかる。従って、最後の偏光板に光子が遭遇する時にはどちらの穴を通過してきたかは既に決定済みなのである。にもかかわらず、スクリーン上では自分自身と干渉し、二つの穴を同時に通過してやって来たことを見せてくれる。
最後の偏光板を通過することによって、過去に決定済みの事柄が、あたかも消しゴムで消し去られたかのようである。
目次を表示このページの先頭へ