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量子実験、アインシュタインとボーアの間の1世紀にわたる論争についに決着

二重スリット実験は現実の量子的性質を実証するラッセル・カイトリー/サイエンス・フォト・ライブラリー 1927 年に有名な物理学者アルバート・アインシュタインとニールス・ボーアの間の議論の中心となった思考実験が、ついに現実のものとなった。その発見は、量子物理学の核心的な謎の 1 つを解明します。それは、光は本当に波なのか、粒子なのか、あるいはその 2 つの複雑な混合物なのかということです。 アインシュタインとボーアの議論は、二重スリット実験に関するもので、その起源はさらに 100 年前に物理学者トーマス・ヤングが 1801 年に遡ったものです。ヤングはこの実験を利用して光は波であると主張しましたが、アインシュタインは光は実際には粒子であると主張しました。一方、ボーアの量子物理学における研究は、ある意味では両方の可能性があることを大胆に提案しました。アインシュタインはこの物議を醸すアイデアを好まず、それに対抗するためにヤングの実験の修正バージョンを想像しました。 今回、中国科学技術大学のChao-Yang Luと彼の同僚は、現代の実験物理学の最高のツールを使用して、アインシュタインのアイデアを実現する実験を実行し、量子物体は1920年代の物理学者が疑っていたのと同じように、波と粒子の二重の性質において特異であることを明らかにしました。 「この基本的なレベルで量子力学が『実際に』動作しているのを見るのは、ただただ息を呑むばかりです」とルー氏は言う。 古典的な二重スリット実験では、研究者は、スクリーンの前に配置された、平行で水平方向に向いた一対の狭いスリットに光を当てます。光が粒子である場合、スクリーンには各スリットの背後に光の塊が表示されるはずですが、若い研究者やその後の無数の研究者は代わりに、暗い縞と明るい縞が交互に現れる「干渉パターン」を見ました。これは、光がスリットからこぼれる波のようなものであり、その波紋がぶつかり合う様子をスクリーンに捉えていることを示しています。注目すべきことに、光の強度が単一の光粒子または光子にまで減少した場合でも、干渉パターンは持続します。これは、完全に粒子のような光子が、あたかも波であるかのように何らかの形で干渉することを意味するのでしょうか? ボーアは、波状の挙動を示している光子の粒子性を見ることは不可能であり、その逆も同様であるという「相補性」の概念を主張しました。これが本当に成り立つかどうかについての議論の中で、アインシュタインは、バネを備えた通常のペアの前に追加のスリットを配置して、光子が入ったときに反動できるようにすることを想像しました。物理学者は、バネの動きに基づいて、光子が上部のスリットを通過したか下部のスリットを通過したかを判断できるようになりました。アインシュタインによれば、これは、小さなボールのように特定のスリットを通過する光子の粒子の挙動と、相補性と矛盾する干渉パターンによって証明される波動の挙動を同時に記述できることを意味するという。 ルー氏によると、彼のチームはこのデバイスを「究極の量子限界」で作りたかったので、スリットではなく単一の光子を発射したが、同じように反動する可能性のある原子を発射したという。さらに、原子に衝突すると、光子は原子から左と右に遠ざかったのと同じ量子状態になり、検出器に衝突したときに干渉パターンも生成されました。このように原子を使用するために、研究者らはレーザーと電磁力を使用して原子を信じられないほど冷たくした。これにより、原子の量子特性を極めて正確に制御することが可能になった。これは、アインシュタインに対するボーアの反論を試す上で極めて重要でした。彼は、反動によるスリットの運動量の変化がよく知られている場合、スリットの位置が非常に曖昧になり、その逆も同様であるというハイゼンベルクの不確定性原理が干渉パターンを破壊する可能性があると主張しました。 「ボーアの反論は見事でした。しかし、思考実験はほぼ一世紀にわたって理論的なものでした」とルー氏は言う。 レーザーを調整することで、ルー氏と彼の同僚は、スリットとしての原子の運動量の不確実性を制御することができた。そうすることで、彼らはボーアの主張が正しく、干渉パターンの運動量のあいまいさを微調整することで干渉パターンを消去できることを発見しました。驚くべきことに、研究者らはこの調整機能を利用して、より中間的な領域にアクセスし、反動情報を測定したり、干渉パターンのぼやけたバージョンを確認したりすることもできました。ここで、光子は波動と粒子の両方の特性を同時に効果的に示していた、とルー氏は言う。 「本当の関心は、 [this] マサチューセッツ工科大学のヴォルフガング・ケッターレ氏は、「今年初めに、彼と彼の同僚は、アインシュタインの実験のバリエーションを実行した。彼らは、レーザーで制御される超低温原子を使用して、一対のスリットが動くアインシュタインの実験のバージョンを実行した。ルー氏と彼の同僚は、単一の原子を使用して光を2方向に散乱させたが、ここでは、2つの原子が同じ方向に光を散乱させ、その効果が得られる」と述べた。各原子に衝突する光子の量子状態の変化から検出できる可能性があるとケッターレ氏は、これは波動粒子双対性を調べる概念的に異なる方法であり、この「どちらの方向」情報が 2 つの別々の原子の一方に保存されるため、光子が何をしたかをより明確に記録できると述べていますが、これはアインシュタインの当初のアイデアからわずかに逸脱しています。 彼と彼の同僚は、レーザーを突然オフにして（可動スリットからバネを外すのと同じ）、その後原子に光子を発射する実験も行った。原子と光子の間の運動量の交換に不確定性原理が加わると、干渉パターンの縞模様が「洗い流される」可能性があるため、ボーアの結論は依然として有効でした。アインシュタインのアイデアのこのバネのないバージョンは、これまでテストされていなかったとケッターレ氏は言います。 「原子物理学では、冷たい原子とレーザーを使用して、以前は不可能だった量子力学を明確に紹介する本当の機会が得られます。」 スイスのバーゼル大学のフィリップ・トロイトライン氏は、この2つの実験は量子力学の基礎の一部を強力に示していると述べている。 「私たちの現代的な理解では、量子力学が微視的なスケールでどのように機能するかについての答えを知っています。しかし、それを実際に見ると、いわば誰かが実際にその実験を行うと、必ず違いが生じます。」ルー氏と彼のチームによる実験は、ボーアとアインシュタインの議論の歴史的記録に残っている図面と概念的に一致しており、量子力学が予測したとおりに動作するという。 Lu にとって、スリットの量子状態をさらに詳細に分類したり、質量を増加させたりするなど、研究すべきことはまだあります。しかし、この実験には計り知れない教育的価値もあります。 「何よりも、量子力学の純粋な美しさが伝わることを願っています」と彼は言う。 「さらに数人の若者が干渉パターンが現れたり消えたりするのをリアルタイムで見て、『すごい、自然は本当にそのように機能するんだ』と言ったら、実験はすでに成功しています。」 トピック: #量子実験アインシュタインとボーアの間の1世紀にわたる論争についに決着