有名な二重スリット実験は、量子の本質だけを取り出しても成り立つ (3/4)

二重スリット実験で「アインシュタインの宿題」を解決した

今回の研究で特に重要だったのは、「光が粒として振る舞うか、波として振る舞うかを決めるのは、原子の位置がどれだけはっきり決まっているか、あるいはぼんやりと広がっているか」ということをはっきりと確認できたことです。

原子や電子などの量子の世界にある非常に小さい粒子は、位置がはっきりしない「ぼんやりした状態」で存在していることがあります。

これを「位置の不確定性」と呼びます。

今回の実験では、原子の位置がはっきり決まっていると、原子が光子（光の粒）の通った道筋の情報を記録することが難しくなり、干渉縞が作られます。

逆に原子の位置がぼんやりと広がっている場合は、原子が光子の通った道筋をはっきり記録できるため、光は粒のように振る舞い、干渉縞は消えてしまいます。

つまり、原子の位置の量子的なぼんやり具合と、光が粒または波として振る舞うかどうかが、きれいに連動しているのです。

これは昔アインシュタインが提唱した、「非常に繊細な装置を使えば、光の粒子としての情報（経路情報）を得ながら、波としての情報（干渉縞）も同時に見ることができるかもしれない」という考え方に関連しています。

しかし今回の実験では、そのような仕組みを使わずに、「原子の位置の不確定性」という量子力学の基本的な性質のみを利用した非常に理想的な条件を作り出しました。

それにもかかわらず、粒としての性質をはっきり観察すると、波としての性質は消えてしまい、逆に波の性質を明確にすると粒子の情報は失われてしまったのです。

この結果は、「粒と波を同時にはっきり観察することは不可能である」という量子力学の予測と完全に一致しました。

さらに研究チームは、原子を固定していたレーザー（アインシュタインが考えたバネの役割を果たす装置）を突然オフにして、原子を完全に自由に浮遊させても実験を行いました。

すると結果には全く変化がなく、バネのような仕掛けがあるかないかは実験の結果に影響しませんでした。

つまり、重要なのは原子を支える仕組みではなく、「原子の位置がどれくらいはっきりしているか、あるいはぼんやりしているか」ということだけだったのです。

研究チームのFedoseev氏もプレスリリースの中で、「バネのような仕掛けは本質ではなく、原子自身の位置のぼんやり具合（位置の広がり）こそが重要だ」と説明しています。

また論文の中でも、原子の位置のぼんやり具合が干渉縞の鮮明さを決めることを数学的に明確に示しました。

この発見は、私たちが世界を理解する方法にも大きな影響を与えます。

なぜなら、量子力学では「観察」という行為そのものが、物理現象の結果に直接影響を与えることが実験的に証明されたからです。

今回の実験では、その影響がどれほど根本的で避けられないものかがはっきりしました。

今後は原子を2つ並べたり、スピン（電子の磁石のような性質）の状態を重ね合わせるなどして、より複雑な条件下で量子の波の性質（コヒーレンス）がどのように失われていくかをさらに詳しく研究する予定です。

こうした研究を通じて、量子の世界のルールがどこまで広く当てはまるのかを明らかにできるかもしれません。

将来的には、こうした基礎的な量子の研究が、量子コンピューターや量子通信といった私たちの未来を変える技術の開発にもつながると期待されています。

（※次ページは論文のやや詳しい解説なのでより厳密に知りたい人だけ読んでください）