アフシャール実験
2004年の量子力学実験

アフシャール実験は、量子力学における二重スリット実験のバリエーションであり、シャフリアール・アフシャールによって2004年に考案・実施された。 [1] [2]この実験では、レーザーによって生成された光が2つの近接したピンホールを通過し、レンズによって再集光され、各ピンホールの像が別々の単一光子検出器に結像する。さらに、細いワイヤーのグリッドが、干渉縞の暗い縞模様のレンズ直前に配置される。[3]

アフシャールは、この実験によって光子が装置内をどの経路で通過するかに関する情報が得られ、同時に経路間の干渉を観察できると主張した。[4] [5]アフシャールによれば、これは量子力学の相補性原理に違反しているという。[3] [6]

この実験は多くの研究者によって分析され、繰り返されてきました。[7]相補性を破ることなくこの効果を説明する理論はいくつかあります。[8] [9] [10] [11] ジョン・G・クレイマーは、この実験が量子力学の トランザクション解釈が他の解釈よりも優れている証拠を提供すると主張しています。

歴史

シャリアール・アフシャールの実験は当初ボストンの放射線誘起質量研究所（IRIMS）[12]で行われ、後に彼が客員研究員として滞在していたハーバード大学で再現されました。[1]この結果は2004年3月にハーバード大学でのセミナーで初めて発表されました。[2]この実験はワシントン大学のジョン・G・クレイマー教授の推薦で、大衆科学雑誌「ニューサイエンティスト」2004年7月24日号の表紙記事として取り上げられました。[1] [13]ニューサイエンティストの特集記事は多くの反響を呼び、2004年8月7日号と8月14日号にはアフシャールの結論に反論するさまざまな投書が掲載されました。[14]この結果は2005年にSPIE会議議事録に掲載されました。 [4]フォローアップ論文は2007年1月に科学誌「Foundations of Physics 」に掲載され、 [3] 2007年2月にNew Scientistに掲載されました。 [15]

実験セットアップ

図1 遮蔽ワイヤーグリッドなしの実験
図2 遮蔽ワイヤーグリッドと1つのピンホールを覆った実験
図3：ワイヤーグリッドと両方のピンホールを開いた状態での実験。ワイヤーは暗い縞の中にあるため、光をほとんど遮らない。

この実験では、二重スリット実験に似たセットアップが用いられる。アフシャールの変種では、レーザーによって生成された光が、間隔が狭い2つの円形ピンホール（スリットではない）を通過する。2つのピンホールを通過した後、レンズが光を再焦点化し、各ピンホールの像が別々の光子検出器に落ちる（図1）。ピンホール2が閉じている場合、ピンホール1を通過した光子は光子検出器1にのみ入射する。同様に、ピンホール1が閉じている場合、ピンホール2を通過した光子は光子検出器2にのみ入射する。アフシャールは、Wheeler [16]を裏付けとして引用し、両方のピンホールが開いている場合、ピンホール1は光子検出器1と相関関係を維持しており（ピンホール2は光子検出器2と相関関係を維持している）、したがって、両方のピンホールが開いているときに方向情報が保持されると主張している。[3]

光が波として振舞うとき、量子干渉のために、光子が避ける領域、いわゆるダークフリンジが存在することが観測される。細いワイヤのグリッドがレンズの直前に配置され（図2）、デュアルピンホールセットアップによって生成される干渉縞のダークフリンジ内にワイヤが位置するようにする。ピンホールの1つがブロックされると、干渉縞は形成されなくなり、ワイヤのグリッドによって光に顕著な回折が生じ、対応する光子検出器による検出が一部ブロックされる。しかし、両方のピンホールが開いているときは、ワイヤが干渉縞のダークフリンジ内に位置するため、ワイヤの影響は無視でき、レンズの前にワイヤが配置されていない場合（図3）と同程度となる。この影響は光強度（光子束）には依存しない。

アフシャールの解釈

アフシャールの結論は、両方のピンホールが開いている場合、光はワイヤーを通過する際に波のような挙動を示すというものである。これは、光がワイヤー間の空間を通過するもののワイヤー自体には触れないためである。一方、レンズを通過した後は粒子のような挙動を示し、光子は相関光検出器に向かう。アフシャールは、この挙動は、同一の実験において同一の光子に対して波動と粒子の両方の特性を示すという点で、 相補性の原理に反すると主張している。

アフシャールは、干渉の可視性Vと識別性D（どの経路の情報に対応する）が同時に高いため、 V 2 + D 2 > 1となり、波動粒子二重性関係が破れると主張している。[3]

受付

具体的な批判

多くの科学者がアフシャールの結果解釈に対して批判を発表しており、その中には相補性の破れという主張を否定する一方で、相補性が実験にどのように作用するかを説明する方法が異なるものもある。例えば、ある論文は、エングラート＝グリーンバーガー双対関係が破れているというアフシャールの核心的な主張に異議を唱えている。研究者たちは、アフシャールが用いたものとは異なる干渉縞の可視性測定法を用いて実験を再実行したが、相補性の破れは見られず、「この結果は、この実験が量子力学のコペンハーゲン解釈によって完全に説明できることを示している」と結論付けている。[10]

以下は、数人の批評家による論文の概要であり、彼らの主な主張と彼らの間の意見の相違を強調しています。

  • ルース・カストナー、メリーランド大学カレッジパーク校科学史哲学委員会[8] [17]
    査読付き論文に掲載されたカストナーの批判は、思考実験を設定し、アフシャールの論理をそれに当てはめてその欠陥を暴くという形で展開される。彼女は、アフシャールの実験は、電子を上向きスピン状態に準備し、その横向きスピンを測定することと同等であると主張している。これは、任意の電子の上下スピン状態と横向きスピン状態を同時に発見したことを意味するものではない。アフシャールの実験に当てはめると、「グリッドを除去したとしても、光子は重ね合わせ状態Sで準備されるため、 t 2 における最終スクリーンでの測定は、実際には「どちら向き」測定（スリット基底観測量に伝統的に付けられる用語）にはならない。なぜなら、それは「光子が実際にどのスリットを通過したか」を示さないからである。 O {\displaystyle {\mathcal {O}}}
  • ダニエル・ライツナー、スロバキア科学アカデミー物理学研究所量子情報研究センター、スロバキア、ブラティスラバ[18 ]
    ライツナーは、アフシャールの配置について数値シミュレーションを行い、プレプリントで発表した。その結果は、アフシャールが実験で得た結果と同じだった。この結果から、ライツナーは光子が検出器に当たるまでは、高い干渉縞の可視性を含む波動的な振る舞いを示すものの、どちら向きかという情報は示さないと主張している。「言い換えれば、この2つのピークを持つ分布は干渉パターンであり、光子はプレートに当たるまでは波として振る舞い、粒子としての性質を示さない。したがって、この方法ではどちら向きかという情報を得ることは決してできない。」
  • WG・ウンルー、ブリティッシュコロンビア大学物理学教授[19]
    アンルーはカストナーと同様に、同等でありながらより単純であると考える配置を組み立てて話を進めている。効果の大きさが大きいため、論理の欠陥がより見えやすくなる。アンルーの見解では、その欠陥とは、暗い縞の位置に障害物が存在する場合、「粒子が検出器1で検出された場合、それは経路1から来たに違いないという推論を導き出すこと、同様に、検出器2で検出された場合、それは経路2から来たという推論を導き出すこと」である。言い換えれば、彼は干渉縞の存在は認めるが、どちら方向かという情報の存在は否定している。
  • ルボシュ・モトル、ハーバード大学物理学元助教授。[20]
    モトル氏のブログに掲載された批判は、ウンルー氏とカストナー氏のような異なる実験を提案するのではなく、アフシャール氏の実際の実験装置の分析に基づいています。ウンルー氏とカストナー氏とは対照的に、彼は「どちら向きか」の情報は常に存在すると確信していますが、測定された干渉縞のコントラストは実際には非常に低いと主張しています。「2番目の中央の像からのこの信号（妨害）は小さいため（つまり、光子のごく一部にしか影響を与えないため）、コントラストVも非常に小さく、無限に細いワイヤーではゼロになります。」また、彼はこの実験は古典電気力学で理解でき、「量子力学とは何の関係もない」と主張しています。
  • オーレ・シュトゥアーナゲル、ハートフォードシャー大学物理学・天文学・数学部、英国。[9]
    シュトゥエルナゲルは、アフシャールの解析とはわずかに異なる設定を用いて、透過、屈折、反射の様々なモードを定量的に解析した。彼は、エングラート-グリーンバーガー双対関係が厳密に満たされ、特に細いワイヤの干渉縞の可視性は小さいと結論付けている。他の批評家と同様に、彼は干渉縞の推定と測定は異なることを強調している。「最後に、アフシャールの解析における最大の弱点は、干渉縞が必ず存在するという推論である。」
  • アンドリュー・ナイト、ニューヨーク大学物理学科[21]
    アフシャールの相補性に反する主張は、単純な論理的矛盾であると主張する。すなわち、2つのピンホールにわたって光子が空間的にコヒーレントになるように実験を設定すると、必然的にそれらの光子によってピンホールが区別できなくなる。「言い換えれば、アフシャールらは、ピンホールAとBが特定の光子（具体的には、ピンホールが張る幅にわたって空間的にコヒーレントになるように生成されるため、ピンホールAとBを区別できない光子）によって本質的に区別できないように実験を設定したと主張しながら、同時に、同じ光子によってピンホールAとBを区別できたと主張している。」

具体的なサポート

  • アフシャールの共著者であるエドゥアルド・フローレスとエルンスト・クノーセルは、カストナーの実験設定を批判し、代替の実験設定を提案している。[22]フローレスらは、アフシャールのレンズを取り除き、2本のビームを小さな角度で重ね合わせることで、両方のピンホールが開いているときに運動量保存則がどちらの経路の情報の保存を保証することを示そうとした。しかし、この実験は依然としてモトルの反論の対象となっている。それは、2本のビームはスリット前のビーム収束によって超顕微鏡的回折パターンを形成するというものであり、その結果、ワイヤーに到達する前にどちらのスリットが開いているかを測定できてしまうはずだった。

参照

参考文献

  1. ^ abc Chown, Marcus (2004). 「量子反逆者」. New Scientist . 183 (2457): 30–35 .（サブスクリプションが必要です）
  2. ^ ab SS Afshar (2004). 「コペンハーゲンの別れ：量子力学の創始者は間違っていたのか？」ハーバードセミナーのお知らせ. 2012年3月5日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2013年12月1日閲覧。
  3. ^ abcde SS Afshar; E. Flores; KF McDonald; E. Knoesel (2007). 「波動粒子二重性におけるパラドックス」. Foundations of Physics . 37 (2): 295– 305. arXiv : quant-ph/0702188 . Bibcode :2007FoPh...37..295A. doi :10.1007/s10701-006-9102-8. S2CID  2161197.
  4. ^ ab SS Afshar (2005). 「相補性原理の違反とその影響」 Roychoudhuri, Chandrasekhar; Creath, Katherine (編). 『光の性質：光子とは何か？』 第5866巻. pp.  229– 244. arXiv : quant-ph/0701027 . Bibcode :2005SPIE.5866..229A. doi :10.1117/12.638774. S2CID  119375418. {{cite book}}:|journal=無視されました (ヘルプ)
  5. ^ SS Afshar (2006). 「ボーアの相補性の破れ：スリットは片方だけか、それとも両方か？」AIP Conference Proceedings . 810 : 294–299 . arXiv : quant-ph/0701039 . Bibcode :2006AIPC..810..294A. doi :10.1063/1.2158731. S2CID  117905639.
  6. ^ J. Zheng; C. Zheng (2011). 「四元数構造を用いたバリアントシミュレーションシステム」. Journal of Modern Optics . 59 (5): 484. Bibcode :2012JMOp...59..484Z. doi :10.1080/09500340.2011.636152. S2CID  121934786.
  7. ^ Georgiev, Danko (2012-01-26). 「量子史と量子相補性」. ISRN Mathematical Physics . 2012 : 1– 37. doi : 10.5402/2012/327278 . ISSN  2090-4681.
  8. ^ ab R. Kastner (2005). 「なぜアフシャールの実験は相補性を否定しないのか？」現代物理学史哲学研究. 36 (4): 649– 658. arXiv : quant-ph/0502021 . Bibcode :2005SHPMP..36..649K. doi :10.1016/j.shpsb.2005.04.006. S2CID  119438183.
  9. ^ ab O. Steuernagel (2007). 「アフシャールの実験は相補性の破れを示さない」. Foundations of Physics . 37 (9): 1370. arXiv : quant-ph/0512123 . Bibcode :2007FoPh...37.1370S. doi :10.1007/s10701-007-9153-5. S2CID  53056142.
  10. ^ ab V. Jacques; et al. (2008). 「格子上で干渉する単一光子を用いた量子相補性の図解」New Journal of Physics . 10 (12) 123009. arXiv : 0807.5079 . Bibcode :2008NJPh...10l3009J. doi :10.1088/1367-2630/10/12/123009. S2CID  2627030.
  11. ^ DD Georgiev (2012). 「量子史と量子相補性」. ISRN Mathematical Physics . 2012 327278. doi : 10.5402/2012/327278 .
  12. ^ 「放射線誘起質量研究所（IRIMS）」irims.org . 2023年9月21日閲覧。
  13. ^ アフシャールの量子爆弾[永久リンク切れ]サイエンスフライデー
  14. ^ JG Cramer (2004). 「ボーアは依然として間違っている」. New Scientist . 183 (2461): 26.
  15. ^ チョーン、マーカス (2007). 「量子反逆者が懐疑論者に勝利」ニューサイエンティスト197 ( 2591): 13.（サブスクリプションが必要です）
  16. ^ Wheeler, John (1978).量子論の数学的基礎. Elsevier. pp.  9– 48.
  17. ^ RE Kastner (2006). 「アフシャールの実験と相補性」APS会議、3月13～17日、メリーランド州ボルチモア: 40011.書誌コード:2006APS..MARD40011K.
  18. ^ D. Reitzner (2007). 「Afsharの実験に関するコメント」. arXiv : quant-ph/0701152 .
  19. ^ W. ウンルー (2004)。 「シャフリアル・アフシャール – 量子の反逆者?」。
  20. ^ L. Motl (2004). 「相補性の違反？」
  21. ^ Andrew Knight (2020). 「波動粒子二重性にパラドックスはない」. Foundations of Physics . 50 (11): 1723– 1727. arXiv : 2006.05315 . Bibcode :2020FoPh...50.1723K. doi :10.1007/s10701-020-00379-9. S2CID  219559143.
  22. ^ E. Flores and E. Knoesel (2007). 「カストナー分析が修正アフシャール実験に適用されない理由」 Roychoudhuri, Chandrasekhar; Kracklauer, Al F; Creath, Katherine (編).光の性質：光子とは何か？第6664巻. pp. 66640O. arXiv : quant-ph/0702210 . doi :10.1117/12.730965. S2CID  119028739.
  23. ^ JG Cramer (2005). 「コペンハーゲンに別れを告げるか？」『アナログSFと事実』 2004年12月8日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2004年12月21日閲覧。
  24. ^ Cramer, JG (2015). 『量子ハンドシェイク：エンタングルメント、非局所性、そしてトランザクション』 Springer Verlag. pp.  111– 112. ISBN 978-3-319-24642-0。
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Afshar_experiment&oldid=1314019145"