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2-1：　ヤングの実験，電子の波動性

本セミナーの 「ミクロの世界」−その１− で，光や電子が 粒子性 と 波動性 とを ともに持つ謎の存在である ことを学びました． 　ここで，この 二重性 について 「おさらい」 を しておきましょう．

「光の波動性と粒子性」 　「ミクロの世界」−その１− の中の 3-8 の ページ および エピローグ で 説明したように， 光の波動性は ヤング (イギリス: 1773 - 1829) による 二重スリットの実験 で 確かめられました. 　もう一度その実験を 振り返って見ましょう． 見やすくするために, 「ミクロの世界」−その１− の 3-8 の ページ に示した 図を再掲します．

ヤングの二重スリットの実験の概要 位相のそろった 単色の光源からの光は 2つのスリット S1， S2 を通って 右の衝立上に 干渉じま (縞) を生じます.

ヤングの実験での 干渉じま (縞) の写真が 下図 に 示されています． 図(A) は 2つのスリットの1つを 閉じたときの写真であり， 図(B) は 2つのスリットを 開いたときの 干渉じま の 写真です. 　前にも説明しましたが， この干渉じま の写真において， しま (縞) 模様ができるのは 光の波動性によります． しかし，写真が撮れるのは 光の粒子性が あるからです． つまりこの干渉じまの 写真は，いわば， 光の波動性と粒子性の 「共同作業」 によるものです． このことを念頭に 置きましょう． 　光の波動性は， ヤングによって 確かめられましたが， 一方，光の粒子性は ２０世紀のはじめ， プランク (ドイツ: 1858 - 1947) のエネルギー量子仮説 に基づき， アインシュタイン (ドイツ，アメリカ: 1879 - 1955) によって提唱された 光量子 (光子) 仮説 が実験的に確かめられ， 確立しました．

「電子の波動性」 　J. J. トムソン (イギリス: 1856 - 1940) による 電子の発見以来， 電子は極めて微小な， ほとんど点と見なすことのできる 粒子であることは， 誰も疑いませんでした． 　ところが，電子は 粒子であるだけでなく， 波動の性質も持つ ということを ド・ブローイ (フランス: 1892 - 1987) が提案し，実験的にも 確かめられました． 　電子だけでなく， その他の物質粒子も 粒子性と波動性の 二重性を持つことが 確かめられました．

「二者択一的考え方を捨てよう」 　２０世紀のはじめ， 世界の物理学者たちは， 光や電子の波動性と粒子性 の深刻な矛盾に 突き当たってしまった， と言いました ( 「ミクロの世界」−その１− の エピローグ )． しかし，これは 本当に矛盾なのでしょうか． 　私達は，光や電子が 「波動」 であるか 「粒子」 であるかの どちらかだと 二者択一的に 考えるから矛盾だと 思うのではないでしょうか． 「粒子」 であるか 「波動」 であるかの どちらか一方でなければ ならないと考えるのは， 古典論的な考え方で， この「二者択一」 的な 考え方をやめて， 両方の性質を持つのが 「ものの本質だ」 と 考えることは できないでしょうか． 　上の ヤングの干渉じま の写真は，光の 波動性と粒子性の 「共同作業」 の結果だと 言いました． この二重性が無ければ 干渉じまの写真は 存在しないのです． この事実は 上記の 「二者択一」 的 考え方を完全に 否定しているのです． 　私達は既に 量子力学における 波動関数 が， 粒子が見出される確率を 表している，ということを 知っています (第１部 1-5: 波動関数の意味． 正確に言えば， 波動関数の絶対値の ２乗が粒子の "存在確率" の 確率密度です．) 賢明な諸君は 既にお気付きだと 思いますが， 量子力学では 確率 という 概念を導入することによって， 上記の「二者択一的 考え方をしないで」， 波動性 と 粒子性 を 見事に統一しているのです． 　このことを， 次ページ以下で， 少し詳しく 検討しましょう．

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