二重スリット実験

2 つのスリットを使用すると、光子または物質 (電子など) によって干渉パターンが生成されます。
緑色レーザーからの光が、幅0.1ミリメートル、間隔0.4ミリメートルの2つのスリットを通過する

現代物理学において、二重スリット実験は、光と物質が古典的な粒子と古典的な波の両方に関連する挙動を示すことを示しています。この種の実験は、 1801年にトーマス・ヤングが可視光の波動挙動を論じた際に初めて記述されました。[ 1 ] 1927年には、デイヴィソンとガーマー、そしてジョージ・パジェット・トムソンと彼の研究生であるアレクサンダー・リード[ 2 ]がそれぞれ独立して、電子が同じ挙動を示すことを実証し、これは後に原子や分子にも拡張されました。[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]

この実験は「二重経路」実験の一般的なクラスに属し、波が2つの別々の波（波は通常多数の光子で構成され、波面と呼ぶ方が適切であり、個々の光子の波動特性と混同しない）に分割され、後に1つの波に結合される。両方の波の経路長の変化により位相シフトが生じ、干渉パターンが形成される。別の方法として、ビームスプリッターを用いてビームを分割するマッハ・ツェンダー干渉計がある。

この実験の基本的なバージョンでは、レーザー光線などのコヒーレント光源が2つの平行なスリットが開けられたプレートを照らし、スリットを通過した光がプレートの後ろのスクリーン上で観察される。[ 6 ] [ 7 ]光の波動性により、2つのスリットを通過した光波が干渉し、スクリーン上に明るい帯と暗い帯が生じる。これは、光が古典的な粒子で構成されていた場合には予​​想されない結果である。[ 6 ] [ 8 ]しかし、光は常にスクリーン上の個別の点で（波ではなく）個々の粒子として吸収されることが分かっている。干渉縞は、スクリーンに当たるこれらの粒子の密度が変化することによって現れる。[ 9 ]さらに、スリットに検出器を含むこの実験のバージョンでは、検出された各光子は（古典的な粒子のように）1つのスリットを通過し、（波のように）両方のスリットを通過することはないことがわかる。[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]しかし、このような実験は、粒子がどのスリットを通過したかを検出すれば干渉縞を形成しないことを示しています。これらの結果は、波動粒子二重性の原理を実証しています。[ 15 ] [ 16 ]

電子などの他の原子スケールの実体も、二重スリットに向かって発射されたときに同様の挙動を示すことがわかっています。[ 7 ]さらに、個々の離散的な衝撃の検出は本質的に確率的であることが観察されており、これは古典力学では説明できません。[ 7 ]

この実験は電子や光子よりもはるかに大きな物体でも行うことができますが、サイズが大きくなるにつれて困難になります。二重スリット実験が行われた最大の物体は、 2000個の原子からなる分子（総質量25,000ダルトン）でした。[ 17 ]

二重スリット実験（およびその変種）は、量子力学の核心的な謎を明快に表現したことで、古典的名実験となりました。リチャード・ファインマンはこれを「いかなる古典的な方法でも説明不可能な現象であり、量子力学の核心を内包している。実際、それは量子力学の唯一の謎を内包している」と評しました。[ 7 ]

概要

同じ二重スリットアセンブリ（スリット間隔0.7mm）。上の画像では、片方のスリットが閉じられています。単スリット像では、スリット幅が0ではないため、回折パターン（主バンドの両側にかすかな斑点）が形成されます。この回折パターンは二重スリット像にも見られますが、より小さな干渉縞が多数見られます。

二つの平行なスリットを照射すると、二つのスリットからの光は再び干渉します。この場合、干渉はより顕著なパターンとなり、明暗の帯が交互に現れます。帯の幅は照射光の周波数に依存します。[ 18 ]（右下の写真を参照）。

もし光が通常の粒子、あるいは古典的な粒子のみで構成され、これらの粒子が直線的にスリットを通過し、反対側のスクリーンに当たるとしたら、スリットのサイズと形状に応じたパターンが見えるはずです。しかし、この「単スリット実験」を実際に行うと、スクリーン上のパターンは光が広がる回折パターンとなります。スリットが小さいほど、広がりの角度は大きくなります。画像の上部は、赤色レーザーがスリットを照射したときに形成されるパターンの中央部分を示しており、よく見ると2つのかすかなサイドバンドが見えます。より高性能な装置を使用すれば、より多くのバンドを見ることができます。光の波動理論によれば、このパターンはスリットからの光波の干渉の結果であると説明されます。

ファインマンは、この一つの実験の意味を注意深く考えることで量子力学の全てを理解できるとよく言っていました。[ 19 ]彼はまた、（思考実験として）各スリットの前に検出器を置けば干渉縞は消えるだろうと提案しました。[ 20 ]

歴史

1807年に出版されたヤングの講義に関する本の図442には、ヤングによるキャプションが付けられている。「2つの小さな開口部から入射した2つの色の光が、干渉によって明暗の縞模様や干渉縞を生み出す様子」[ 21 ]

1801年、トーマス・ヤングは王立協会に「光と色彩の理論について」[ 22 ]と題する有名な論文を提出し、ニュートンリングのような干渉現象を波の干渉の観点から説明した[ 23 ]。101ヤングが干渉の「一般法則」と呼んだものの最初の出版された記述は、1802年1月に彼の著書『自然哲学と実験哲学に関する講義要旨』に掲載された 。

しかし、これらすべての現象を支配する一般法則は、不完全なユニゾンの拍子において2つの音符が交互に強弱を生み出すのと同じように、2つの同時発生する波動が互いに協力したり破壊したりすることから非常に簡単に推測できる。[ 24 ]

1803年、ヤングは太陽光、ピンホール、カードを使用した光干渉のデモンストレーションを行った。[ 25 ]これらのデモンストレーションは光の波動説の理解に重要な役割を果たし、 17世紀と18世紀に受け入れられていた光伝播モデルであるアイザック・ニュートンによって提唱された光の粒子説に異議を唱えた。これらの実験の議論の一部として、彼は二重スリット実験について述べている。彼が実際に二重スリット干渉実験を行ったかどうかについては疑問が残る。[ 26 ] [ 27 ]その後の光電効果の発見は、異なる状況下では光が個別の粒子で構成されているかのように振舞う可能性があることを実証した。現在では波動粒子二重性と呼ばれているこれらの一見矛盾する発見により、古典物理学を超えて光の量子的な性質を考慮に入れる必要が生じた。

低強度二重スリット実験は1909年にG.I.テイラーによって初めて実施され、 [ 28 ]光子の放出/吸収イベントがほとんど重ならなくなるまで入射光のレベルを下げることによって行われた。 スリット干渉実験は、1961年にテュービンゲン大学のクラウス・ヨンソンがコヒーレント電子ビームと多重スリットを用いて行うまで、光以外のものを用いた実験は行われていませんでした。[ 29 ] [ 30 ] 1974年、イタリアの物理学者ピエール・ジョルジョ・メルリ、ジャン・フランコ・ミシロリ、ジュリオ・ポッツィは、コヒーレント光源からの単一電子とバイプリズムビームスプリッターを用いた関連実験を行い、量子論によって予測された干渉パターンの蓄積の統計的性質を示しました。[ 31 ] [ 32 ] 2002年、単一電子を用いたこの実験は、Physics World誌の読者投票で「最も美しい実験」に選ばれました。[ 33 ]それ以来、多少の論争はあるものの、多くの関連実験が発表されています。[ 34 ]

2012年、ステファノ・フラボニと同僚たちは、ナノ加工されたスリット（幅約100nm）に単一電子を送り、透過した電子を単一電子検出器で検出することで、二重スリット干渉縞の形成を示すことに成功した。[ 35 ]コヒーレント干渉に関する多くの関連実験が行われており、それらは現代の電子回折、顕微鏡法、高解像度イメージングの基礎となっている。 [ 36 ] [ 37 ]

2018年、イタリアのコモにあるラファエル・フェラグートの陽電子研究所（L-NESS、ミラノ工科大学）で、マルコ・ジャマルキ率いるグループによって反物質の単一粒子干渉が実証されました。[ 38 ]

実験のバリエーション

個々の粒子からの干渉

この実験の重要なバージョンは、単一粒子の検出です。二重スリットを低強度で照射すると、単一粒子はスクリーン上に白い点として検出されます。しかし、驚くべきことに、これらの粒子が一つずつ積み重なると、干渉縞が現れます（下の図を参照）。

実験的電子二重スリット回折パターン
電子回折パターン
回折の点ごとの積み重ねの最終結果。[ 39 ]画像の中央では、強度が高から低に交互に変化しており、2つのスリットからの信号の干渉を示しています。
点がゆっくりと干渉パターンを埋めていきます。
点ごとに模様が作られていく様子の動画。[ 39 ]クリックすると拡大します。

これは、すべての物質が波動と粒子の両方の性質を示すという波動粒子二重性を示しています。粒子は単一の位置で単一のパルスとして測定され、波の係数の2乗は、統計的な干渉パターンを与えるスクリーン上の特定の場所で粒子を検出する確率を表します。 [ 40 ]この現象は、光子、 [ 41 ]電子、[ 42 ]原子、さらには一部の分子でも発生することが示されています。バックミンスターフラーレン（C60）は2001年に[ 43 ] [ 44 ] [ 45 ] [ 46 ]、430個の原子からなる2つの分子（C60（C12F25）10およびC168H94F152お8北4S4）は2011年に[ 47 ]、2019年には最大2000個の原子からなる分子でも干渉縞が見られるようになった。 [ 48 ] 単一粒子から構成される干渉縞に加えて、最大4つのもつれ合った光子も干渉縞を示すことができる。[ 49 ]

マッハ・ツェンダー干渉計

マッハ・ツェンダー干渉計内の光は、一度に 1 つの光子が検出される場合でも (粒子のような動作)、干渉 (波のような動作) を生成します。

マッハ・ツェンダー干渉計は、二重スリット実験の簡略版と見ることができる。[ 50 ]光子は、2つのスリットを通過した後、自由空間を伝播して拡張スクリーン内の任意の位置に当たるのではなく、干渉計内では2つの経路のみを伝播し、2つの離散的な光検出器に当たる。これにより、微分方程式ではなく、2次元の単純な線型代数で記述することができる。

レーザーから放出された光子は最初のビームスプリッターに当たり、2つの経路の重ね合わせ状態になります。2番目のビームスプリッターでは、これらの経路が干渉し、光子は右側の光検出器に確率1で、下部の光検出器に確率0で当たります。[ 51 ]経路の1つを遮断するか、または同等に、ある経路上に光子が存在することを検出すると、経路間の干渉は排除されます。つまり、両方の光検出器に確率1/2で当たることになります。これは、最初のビームスプリッターを通過した後、光子がどちらかの経路を取るのではなく、2つの経路の量子重ね合わせ状態にあることを示しています。 [ 52 ]

「どちら向きか」の実験と相補性の原理

よく知られている思考実験では、スリットに粒子検出器を設置して光子がどちらのスリットを通過するかを示すと、干渉縞が消えると予測されています。[ 7 ]このどちら向きかの実験は、光子は粒子としても波としても振る舞うことができ、同時に両方として観測することはできないという相補性原理を示しています。 [ 53 ] [ 54 ] [ 55 ] この思考実験は量子力学の歴史において重要なものですが（例えば、この実験のアインシュタインのバージョンに関する議論を参照）、この実験の技術的に実現可能な実現は 1970 年代まで提案されませんでした。[ 56 ]（教科書的な思考実験の単純な実装は、光子を吸収せずに光子を検出することはできないため、不可能です。）現在、相補性のさまざまな側面を示す複数の実験が行われています。[ 57 ]

1987年に行われた実験[ 58 ] [ 59 ]では、干渉を完全に破壊することなく、粒子がどの経路をたどったかに関する部分的な情報が得られることが実証されました。この「波動粒子トレードオフ」は、干渉パターンの可視性とどの経路をたどったかの識別可能性を関連付ける不等式の形をとります。 [ 60 ]

遅延選択と量子消去のバリエーション

ウィーラーの遅延選択実験
ウィーラーの遅延選択実験の図。スリットを通過した後の光子の進路を決定する原理を示している。

ウィーラーの遅延選択実験は、粒子がスリットを通過した後に「どの経路」の情報を抽出すると、スリットでの以前の動作が遡及的に変化する可能性があることを示しています。

量子消去実験では、「どの経路」の情報を消去するか、あるいは永久に利用できないようにすることで、波の振る舞いを復元できることが実証されています。

量子消しゴム現象の簡単な家庭でできる説明が、Scientific American誌の記事に掲載されました。[ 61 ]各スリットの前に偏光子を互いに直交する軸で配置すると、干渉縞は消えます。偏光子は、各ビームにどの経路を通るかの情報を与えるものと考えることができます。検出器の前に、他の偏光子に対して45°の軸を持つ3つ目の偏光子を配置すると、この情報が「消去」され、干渉縞が再び現れます。これは、光を古典波と見なすことでも説明できます。[ 61 ] : 91 また、円偏光子と単一光子を用いた場合にも同様です。[ 62 ] : 6 エンタングルされた光子対を用いた偏光子の実装には、古典的な説明はありません。[ 62 ]

弱い測定

2012年に大々的に報道された実験で、研究者たちは、粒子が生成した干渉縞に全く悪影響を与えることなく、各粒子の軌跡を特定したと主張した。[ 63 ]これを実現するために、彼らはスクリーンに入射する粒子が点状の光源からではなく、2つの強度極大を持つ光源から来るように設定した。しかし、スヴェンソン[ 64 ]などの評論家は、この二重スリット実験の変種で行われた弱い測定とハイゼンベルクの不確定性原理との間に実際には矛盾はないと指摘している。事後選択に続く弱い測定では、個々の粒子の位置と運動量を同時に測定することはできず、むしろ異なる位置に到達した粒子の平均軌道を測定することができた。言い換えれば、実験者は完全な軌道ランドスケープの統計マップを作成していたのである。[ 64 ]

その他のバリエーション

実験室の二重スリットアセンブリ。上部の支柱間の距離は約 2.5 cm (1 インチ) です。
等幅プラズモニックスリット（A）と非等幅プラズモニックスリット（B）の近接場強度分布パターン

1967年、プフリーガーとマンデルは2つの別々のレーザーを光源として用いて二光源干渉を実証した。[ 65 ] [ 66 ]

1972年に実験的に、常に1つのスリットだけが開いている二重スリットシステムでは、検出された光子がどちらのスリットから来た可能性があるかという経路差があれば、干渉が観測されることが示されました。[ 67 ] [ 68 ]実験条件では、システム内の光子密度は1よりはるかに小さくなりました。

1991年、カーナルとムリネクは、準安定ヘリウム原子が金箔のマイクロメートル規模のスリットを通過するという古典的なヤングの二重スリット実験を行った。 [ 69 ] [ 70 ]

1999年に、60個の炭素原子からなるバッキーボール分子を用いた量子干渉実験（2つのスリットではなく回折格子を使用）が成功裏に実施された。[ 43 ] [ 71 ]バッキーボールは電子顕微鏡で観察できるほどの大きさ（直径約0.7  nm、陽子の約50万倍）である。

2002年には、電子電界放出源を用いて二重スリット実験が実証された。この実験では、針状電極の先端にある2つの近接した放出点からコヒーレントな電子波が放出され、これらの放出点は二重スリットとして機能し、真空中で2つのコヒーレントな電子波に分割された。そして、2つの電子波の干渉縞を観察することができた。[ 72 ] 2017年には、光誘起電界電子放出源を用いた二重スリット実験が行われた。この技術により、放出点を10ナノメートルのスケールで光学的に選択することができる。2つの放出点（スリット）の一方を選択的に非活性化（閉じる）することで、干渉縞が消失することを研究者らは実証することができた。[ 73 ]

2005年、ERエリエルは、多数の光波長で隔てられた2つのサブ波長スリットが穿孔された薄い金属スクリーンの光透過率に関する実験的および理論的研究を発表しました。遠視野二重スリットパターンの全強度は、入射光ビームの波長の関数として減少または増強されることが示されました。[ 74 ]

2012年、ネブラスカ大学リンカーン校の研究者たちは、リチャード・ファインマンが記述した電子を用いた二重スリット実験を、2つのスリットの透過率を制御し、単一電子検出イベントをモニタリングできる新しい機器を用いて行った。電子は電子銃から発射され、幅62nm×高さ4μmの1つまたは2つのスリットを通過した。[ 75 ]

2013年には、810個の原子（総質量が10,000ダルトン以上）からなる分子を用いた量子干渉実験（2つのスリットではなく回折格子を使用）が成功裏に実施されました。 [ 4 ] [ 5 ]この記録は2019年に2000個の原子（25,000 amu）にまで引き上げられました。 [ 17 ]

2025年、マサチューセッツ工科大学の科学者たちは、光格子に閉じ込められモット絶縁体を形成する原子を用いて、二重スリット実験の一種を行った。光格子から解放されたこれらの極低温原子は、ハイゼンベルクの不確定性によって制限された運動量と位置を持つ。単一光子は当初、原子からコヒーレントに散乱し、光干渉縞を形成する。解放された原子の波束が膨張するにつれて、干渉縞は消失し、非コヒーレント散乱であることが確認される。[ 76 ]この実験は、量子原子と光子のみを用いた波動干渉を実証している。[ 77 ]

流体力学的パイロット波の類似物

流体力学の類似物が開発されており、二重スリットを通した単一粒子干渉など、量子力学システムの様々な側面を再現することができる。[ 78 ]液体の表面に沿って跳ねるシリコンオイルの液滴は、自身の波動場との共鳴相互作用によって自走する。液滴は跳ねるたびに液体を優しく揺すって跳ねる。同時に、過去の跳ね返りによる波紋がその進路に影響を与える。液滴自身の波紋との相互作用はパイロット波と呼ばれ、これまで素粒子に特有であると考えられてきた挙動を示す。これには、測定されるまで素粒子が特定の位置を持たずに波のように空間に広がっている証拠として慣習的に考えられていた挙動も含まれる。[ 79 ] [ 80 ]

この流体力学的パイロット波システムによって模倣される挙動には、量子単粒子回折、[ 81 ]、トンネル効果、量子化軌道、軌道準位分裂、スピン、多峰性統計などが含まれます。また、不確定性関係や排他原理を推論することも可能です。このシステムの様々な特徴を示すビデオも利用可能です。（外部リンクを参照）。

しかし、2つ以上の粒子が重ね合わさったより複雑なシステムでは、このような単純で古典的な直感的な説明は不可能である。[ 82 ]したがって、エンタングルメントの流体力学的類似物は開発されていない。[ 78 ]しかし、光学的な類似物は可能である。[ 83 ]

時間に関する二重スリット実験

2023 年には、インジウムスズ酸化物 (ITO)でコーティングされたスクリーンにポンプレーザーパルスを照射することで、時間的に干渉パターンを再現する実験が報告されました。これにより、カー効果により材料内の電子の特性が変化し、約 200 フェムト秒間透明から反射に変化します。その後、ITO スクリーンに当たるプローブレーザービームは、この一時的な光学特性の変化を時間のスリットとして、さらに 2 つを二重スリットとして捉え、各周波数成分で位相差が相殺的または建設的に加算され、干渉パターンが生成されます。[ 84 ] [ 85 ] [ 86 ]同様の結果は、古典的には水波でも得られています。[ 84 ] [ 86 ]

古典的な波動光学定式化

入射平面波による2スリット回折パターン
太陽光の二重スリット干渉の写真
2 つのスリットが平面波で照らされ、経路の差が表示されます。

光の挙動の多くは、古典的な波動理論を用いてモデル化できます。ホイヘンス・フレネル原理はそのようなモデルの一つです。この原理は、波面上の各点が二次的なウェーブレットを生成し、その後の任意の点における擾乱は、その点における個々のウェーブレットの寄与を合計することで求められると述べています。この合計には、個々のウェーブレットの振幅だけでなく位相も考慮する必要があります。測定できるのは光場の強度のみであり、これは振幅の2乗に比例します。

二重スリット実験では、2つのスリットに単一のレーザーからの準単色光が照射されます。スリットの幅が十分に狭い場合（レーザー光の波長よりもはるかに短い場合）、スリットは光を円筒波に回折します。これらの2つの円筒波面は重ね合わされ、重ね合わせた波面の任意の点における振幅、ひいては強度は、2つの波面の大きさと位相の両方に依存します。2つの波の位相差は、2つの波が移動した距離の差によって決まります。

視距離がスリット間隔（遠方場）に比べて大きい場合、右下の図に示す幾何学的形状を用いて位相差を求めることができます。角度θで伝わる2つの波の行路差は、次のように表されます。

d罪⁡θ≈dθ{\displaystyle d\sin \theta \approx d\theta }

ここで、dは2つのスリット間の距離です。2つの波が同位相、つまり経路差が波長の整数倍のとき、振幅の和、ひいては強度の和は最大になります。一方、2つの波が逆位相、つまり経路差が半波長、1.5波長などと等しいとき、2つの波は打ち消し合い、強度の和はゼロになります。この効果は干渉として知られています。干渉縞の最大値は、角度

dθn＝nλ、 n＝0、1、2、…{\displaystyle d\theta _{n}=n\lambda ,~n=0,1,2,\ldots }

ここでλは光の波長である。縞の角度間隔θfは次のように与えられる。

θf≈λ/d{\displaystyle \theta _{f}\approx \lambda /d}

スリットからの 距離zにおける縞の間隔は次のように与えられる。

 わ＝zθf＝zλ/d{\displaystyle ~w=z\theta _{f}=z\lambda /d}

たとえば、2つのスリットが0.5 mm（d）離れており、0.6 μmの波長のレーザー（λ）で照射された場合、距離1 m（z）での縞の間隔は1.2 mmになります。

スリットの幅bが波長に比べてかなり大きい場合、回折光の強度を決定するためにフラウンホーファー回折方程式が次のように必要となる： [ 87 ]

私（θ）∝コス2⁡[πd罪⁡θλ] s私nc2[πb罪⁡θλ]{\displaystyle {\begin{aligned}I(\theta )&\propto \cos ^{2}\left[{\frac {\pi d\sin \theta }{\lambda }}\right]~\mathrm {sinc} ^{2}\left[{\frac {\pi b\sin \theta }{\lambda }}\right]\end{aligned}}}

ここで、sinc関数は、 x ≠0に対してsinc( x ) = sin( x )/ xと定義され、sinc(0) = 1となります。

これは上の図に示されています。最初のパターンは、この式のsinc関数で表された単一のスリットの回折パターンです。2 番目の図は、2 つのスリットから回折された光の合計強度を示しています。cos 関数は微細構造を表し、粗い構造はsinc関数で表された個々のスリットによる回折を表しています。

フレネル回折方程式を適用することで、近傍場についても同様の計算を行うことができます。この方程式は、観測面がスリットが配置されている面に近づくにつれて、各スリットに関連する回折パターンのサイズが小さくなり、干渉が発生する領域が縮小し、2つの回折パターンが重なり合わなくなると完全に消えることを意味します。[ 88 ]

経路積分定式化

二重スリット実験は、ファインマンによって提唱された量子力学の経路積分の定式化を例証することができる。 [ 89 ]経路積分の定式化は、系に単一の唯一の軌道が存在するという古典的な概念を、すべての可能な軌道の和に置き換えるものである。これらの軌道は、関数積分を用いて加算される。

各経路は等確率とみなされるため、同じ量の寄与となります。ただし、経路上の任意の点におけるこの寄与の位相は、経路上の アクションによって決まります。あパス（×、y、z、t）＝e私S（×、y、z、t）{\displaystyle A_{\text{path}}(x,y,z,t)=e^{iS(x,y,z,t)}}

これらの寄与をすべて加算し、最終結果の大きさを二乗すると、粒子の位置の確率分布が得られます。 p（×、y、z、t）∝|∫すべてのパスe私S（×、y、z、t）|2{\displaystyle p(x,y,z,t)\propto \left\vert \int _{\text{すべてのパス}}e^{iS(x,y,z,t)}\right\vert ^{2}}

確率を計算するときは常に、次の式を課して 結果を正規化する必要があります。∭すべてのスペースp（×、y、z、t）dV＝1{\displaystyle \iiint _{\text{全空間}}p(x,y,z,t)\,dV=1}

結果の確率分布は、起点から終点までのすべての経路における、各経路に作用する波の重ね合わせのノルムの正規化された2乗である。各経路における累積作用の差（ひいては寄与の相対的な位相）が、二重スリット実験で観測される干渉縞を生み出す。ファインマンは、この定式化は単なる数学的記述であり、実際に測定可能なプロセスを記述しようとするものではないことを強調した。

実験の解釈

シュレーディンガーの猫の思考実験と同様に、二重スリット実験は、量子力学のさまざまな解釈の相違点と類似点を強調するためによく使用されます。

標準的な量子物理学

二重スリット実験の標準的な解釈は、このパターンは波動現象であり、スリットごとに1つずつ存在する確率振幅間の干渉を表しているというものです。低強度実験では、このパターンは1回に1つの粒子を検出するごとに満たされることが実証されています。特定のスリットで粒子を検出するように設計された装置に変更を加えると、確率振幅が変化し、干渉は消失します。[ 57 ] : S298 この解釈は、意識的な観察者とは無関係です。[ 90 ] : S281

相補性

ニールス・ボーアは、二重スリット実験のような量子実験を相補性の概念を用いて解釈した。[ 91 ]ボーアの見解では、量子系は古典的なものではないが、測定は古典的な結果しか与えない。量子系では、ある種の古典的な特性の組み合わせは同時に観測されることはない。例えば、二重スリット実験における波の干渉縞は、スリットで粒子が検出されると消えてしまう。この概念の現代の定量的バージョンでは、干渉縞の可視性とスリットでの粒子検出確率の間には連続的なトレードオフが存在する。[ 92 ] [ 93 ]

コペンハーゲン解釈

コペンハーゲン解釈は、ニールス・ボーア、ヴェルナー・ハイゼンベルク、マックス・ボルンらの研究に端を発する、量子力学の意味についての一連の見解である。「コペンハーゲン解釈」という用語は、1950年代にハイゼンベルクが、ボーアとの意見の相違を無視して、1925年から1927年の間に発展した考えを指すために作った造語であると思われる。[ 91 ] [ 94 ] [ 95 ] [ 96 ]そのため、この解釈が何を意味するかについての決定的な歴史的説明は存在しない。コペンハーゲン解釈の各バージョンに共通する特徴としては、量子力学は本質的に非決定論的であり、確率はボルンの規則を用いて計算されるという考えや、何らかの形の相補性原理が挙げられる。[ 97 ] : 41–54 さらに、物体を「観察する」あるいは「測定する」という行為は不可逆的であり、測定結果に基づかない限り、物体に真実を帰属させることはできない。コペンハーゲン解釈において、相補性とは、特定の実験が粒子の挙動（特定のスリットを通過する）または波の挙動（干渉）を​​示すことはできるが、両方を同時に示すことはできないことを意味する。[ 97 ] : 49 [ 98 ] [ 99 ]コペンハーゲン型の見解では、検出器がない場合、粒子がどのスリットを通過するかという問題は意味を持たない。[ 100 ] [ 101 ]

関係的解釈

カルロ・ロヴェッリによって最初に提唱された量子力学の関係的解釈[ 102 ]によれば、二重スリット実験のような観測は、観測者（測定装置）と観測対象（物理的に相互作用する対象）との相互作用によってのみ生じるものであり、対象が持つ絶対的な性質によって生じるものではない。電子の場合、最初に特定のスリットで「観測」された場合、観測者と粒子（光子と電子）の相互作用には電子の位置に関する情報が含まれる。これは、スクリーン上の粒子の最終的な位置を部分的に制約する。もし電子が特定のスリットではなくスクリーンで「観測」（光子で測定）された場合、相互作用の一部として「どの経路」の情報は存在しないため、スクリーン上の電子の「観測」位置は、その確率関数によって厳密に決定される。そのため、スクリーン上のパターンは、個々の電子が両方のスリットを通過した場合と同じになる。

多世界解釈

コペンハーゲン解釈と同様に、多世界解釈にも複数のバリエーションがある。統一的なテーマは、物理的現実は波動関数と同一視され、この波動関数は常にユニタリーに、すなわちシュレーディンガー方程式に従って崩壊なく発展するというものである。[ 103 ] [ 104 ]その結果、多くの並行宇宙が存在し、それらは干渉によってのみ相互作用する。デイヴィッド・ドイッチは、二重スリット実験を理解するには、各宇宙において粒子は特定のスリットを通過するが、その運動は他の宇宙の粒子との干渉の影響を受け、この干渉が観測可能な縞模様を作り出す、という理解であると主張している。[ 105 ]多世界解釈のもう一人の支持者であるデイヴィッド・ウォレスは、二重スリット実験の一般的な設定では、2つの経路は並行宇宙による説明が意味をなすほど十分に分離されていないと書いている。[ 106 ]

ド・ブロイ＝ボーム理論

量子力学の標準的な理解とは異なるド・ブロイ＝ボーム理論は、粒子は常に正確な位置を持ち、その速度は波動関数によって定義されると主張している。したがって、二重スリット実験では、単一の粒子は一方のスリットを通過するが、それに影響を与えるいわゆる「パイロット波」は両方のスリットを通過する。2つのスリットにおけるド・ブロイ＝ボーム軌道は、バークベック・カレッジ（ロンドン）のクリス・フィリピディスとバジル・ハイリーと共同研究していたクリス・デュードニーによって初めて計算された。[ 107 ]決定論的であるにもかかわらず、ド・ブロイ＝ボーム理論は「量子平衡仮説」の下では標準的な量子力学と同じ統計的結果を生み出す。量子平衡仮説では、初期に準備された粒子の位置は、初期に準備された波動関数の係数の2乗に従ってランダムに分布することが求められる。ド・ブロイ・ボーム理論は非相対論的設定において量子力学の多くの概念的困難を克服しているが、ローレンツ不変性とは両立しない。[ 108 ]

ボーミアン軌道
二重スリット実験におけるド・ブロイ＝ボーム理論における粒子の軌跡
波動関数によって導かれる100本の軌道。ド・ブロイ＝ボーム理論では、粒子は任意の時点において、波動関数と位置（質量中心）によって表されます。これは、標準的な解釈と比較すると、一種の拡張現実です。
電子を用いた二重スリット実験の数値シミュレーション。左図：スリット出口（左）からスリット後10cmの位置にある検出スクリーン（右）までの電子ビームの強度の変化（左から右へ）。強度が高いほど、水色が濃くなります。中央図：スクリーン上で観測された電子の衝突。右図：遠距離場近似における電子の強度（スクリーン上）。クラウス・ヨンソンの実験（1961年）の数値データ。光子、原子、分子も同様の変化を辿ります。

参照

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さらに読む

ウィキメディア コモンズには、二重スリット実験に関連するメディアがあります。

インタラクティブアニメーション

単粒子実験

流体力学的アナログ

コンピューターシミュレーション

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