2018年11月14日(水)

光子の過去を変える!? 量子力学の不思議な実験
日経サイエンス

科学&新技術
2012/1/21 7:00
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先日ハイゼンベルクの不確定性原理を破る測定で注目を集めた量子力学。現代物理学の根幹である量子力学が語るミクロな世界は、常識を超えた不思議な現象にあふれている。とりわけ奇妙なのが、今の現象を測定すると、過去が変化するかのような現象だ。

壁に開けた2つのスリットに光を当てると、背後のスクリーンに光の縞(しま)模様が映る。2つのスリットを通った光の波が重なって強め合ったり弱め合ったりするためで、光が波であることを示す「ヤングの実験」として、よく教科書に載っている。

一方で、光は1個2個と数えられる「光子」という粒でできていることが知られている。ヤングの実験で光を極限まで弱めると、光子が1個ずつ2つのスリットに当たるようになる。この光子をスクリーン上で検出してその場所に点を打ち、これを何度も繰り返すと、やはり光の点は縞模様を描く。

粒である光子の1個1個が干渉を起こすというのも変な話だが、現在では、光子は観測されていない時には空間に広がる波として伝わって干渉を起こし、観測すると粒となって現れると考えられている。

ではスリットで光子を観測し、光子がどちらを通ったかわかるようにしたらどうなるだろう。2つのスリットにそれぞれ偏光板を置き、右を通った光子と左を通った光子が異なる偏光を持つようにする。光子に目印がつき、どちらを通ったかわかるようにすると、干渉縞は消えてしまう。光子はスリットのところで観測されて粒となり、スリットの一方しか通れなくなるからだ。と、これまで説明されてきた。

ところが光子の行く手にもう1つ偏光板を置いてすべての光子の偏光をそろえ、どちらを通ってきたかわからなくすると、再び干渉縞が現れる。光子は再び波になったのだろうか? だがスリットはもう通ってしまった後だ。光子が第2の偏光板に当たったとたん、スリットに戻って干渉をやり直すというのだろうか。

さらに高度で奇妙な実験も行われている。まず互いに連動する光子のペアをたくさん作り、一方の光子を適当に飛ばしてスクリーンに当てた上で、他方の光子の経路を気まぐれに調べたり調べなかったりする。スクリーン上の光子のうち、相手の光子がたまたま調べられなかったものだけを取り出してスクリーンを感光させると、そこには干渉縞ができている。逆に相手の経路が調べられた光子だけを取り出すと、干渉縞は見えない。相手のどれを調べるかは後から決めたのに、そのことが先に飛んできた光子の過去を書き換える。

光子の運命はいつ決まるのか。名古屋大学の谷村省吾教授は、光子が観測器に飛び込んだ時ではなく、それよりずっと後、「人間がいるマクロな世界で結果が確認された時」だと見ている。それまでは光子の過去は変更可能だという。

(詳細は25日発売の日経サイエンス3月号に掲載)

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