量子力学
古典物理学の危機と量子仮説
一つのスリットと二つのスリットで検出パターンの蓄積を比較し、個々の光子が依然として干渉縞を作ること——単一イベントレベルでの波粒二重性——を示します。
器具
- 「一つのスリット」「二つのスリット」ボタン
- 「100 光子放出」ボタン——一度に一光子の光源
- 「波長 λ」「スリット間隔 d」スライダー
- 各ヒットを記録する検出スクリーンと「画面消去」ボタン
手順
一つのスリットでパターンを見る
「一つのスリット」を選び「100 光子放出」を数回押します。各検出は独立した点ですが、蓄積された分布は縞のない滑らかな単一スリットの帯になります。光子は確率に従って一つずつ届きます。
二つのスリットで縞が現れるのを待つ
「画面消去」を押し「二つのスリット」を選んでさらに数百光子を放ちます。ランダムな点から明暗の縞が浮かび上がります。パターンは各光子の確率振幅の性質であり、光子同士の相互作用ではありません。
λ と d を変えて縞間隔を確かめる
「波長 λ」を上げるか「スリット間隔 d」を下げ、スクリーンを見る前に縞間隔の変化の向きを予想します。Young の式 と傾向を比べます。λ が大きいかスリットが近いほど縞は広がります。
シミュレーション
実験の歴史
1900年、マックス・プランクは黒体がエネルギーを量子 でやり取りするという「量子仮説」を提案し、放射スペクトルを説明しました。1905年、アインシュタインはさらに進み、光自体がエネルギー量子からなるとし、光電効果を説明しました。これが後に光子と呼ばれます。
1909年、ジェフリー・テイラーは装置内に平均一光子未満しか存在しないほど弱い光を干渉計に通し、長時間露光で縞を記録しました。単一光子、さらに電子、中性子、大きな分子を用いた現代版でも同じ結果が得られます。干渉は多数の粒子を必要とせず、各量子が自身の確率振幅と干渉するのです。