「量子物体は狂っているが、少なくとも同じようにすべて狂っている。リチャード・ファインマン」
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物理学では、 波動粒子双対性または波動粒子双対性は、私たちの宇宙のすべての物体が波動と粒子の特性を同時に示す原理です。この概念は量子力学の基礎の一部です。
この二重性は、量子対象の挙動を記述するために単独でとられた「粒子」や「波」という従来の概念の不適切さを説明しようと試みる。二元性の考え方のルーツは17世紀にまで遡り、光は波で構成されていると考えたクリスチャン ホイヘンスの理論と、光は粒子であると考えたアイザック ニュートンの理論が対立していました。アルバート・アインシュタイン、ルイ・ド・ブロイ、その他多くの研究に倣い、現代の科学理論ではすべての物体に波動と粒子の性質が与えられていますが、この現象は顕微鏡スケールでしか認識できません。
普及したアプローチ
導入
量子物理学の大きな問題の 1 つは、画像を提供することです。実際、人間は考えたり、記憶したりするためにイメージを必要とします(認知心理学の記事を参照)。たとえば、誰かを声だけで知っていて（電話で話したり、ラジオで聞いたりした）、その人を初めて見たとき、私たちは心の中で「c、まさに私が想像していた通りだ」と言います。逆に「そんなこと全く想像してなかった」したがって、私たちの脳は、見たことがないにもかかわらず、この人を指すイメージを構築します。
量子物理学の問題は、物体 (素粒子) を表現するには、波と固体粒子という 2 つの概念を使用しなければならないことです。
私たちは、自分の知っていることや日常の経験から類推してイメージを構築することしかできません。したがって、音波を想像すると、水の波が思い浮かびます。粒子を想像すると、大理石が頭に浮かびます。したがって、2 つの概念は対立しており、互換性がありません。
| 粒子 | 波 |
|---|---|
| ローカライズされた、定義された拡張子の | 移転しました（音が部屋中に響きます） |
| 創造と破壊は不可能[ 1 ] | 簡単な作成と破壊 (ギターの弦を弾いたり止めたり) |
| 分離、結合不可能[ 1 ] | 単純加算（干渉） |
これは大きな混乱と無理解を引き起こし、特に「相互作用中に粒子が適切に局在化しているのに、なぜ相互作用の外に存在しないのか?」という質問を自問するときに、しばしば障害につながります。
シリンダーの比喩
円柱のメタファーは、一見矛盾した特性を持つオブジェクトの一例です。物体が円と長方形の両方の性質を持っていると主張するのは、一見すると矛盾するでしょう。平面上では、物体は円か長方形のいずれかです。
しかし、円柱を考えると、円柱の軸に沿った投影は円を与え、この軸に垂直な投影は長方形を与えます。
したがって、両方のプロパティを持つオブジェクトが存在します (ただし、どちらか一方ではありません)。 「波」や「粒子」はものの見方であって、それ自体ではありません。
量子物理学の数学的記述では、測定の結果は幾何学的投影 (観測可能性の概念: オブジェクトの状態はベクトル基底およびユークリッドの座標として認識できる数値によって記述されます) に似ていることにも注意してください。ジオメトリ、座標は参照軸上のオブジェクトの投影です)。
水中の渦巻きの比喩
この部分の最初のテキストは、2002 年 9 月 13 日に usenet news:fr.sci.physiqueフォーラムに初めて掲載され、著者の同意を得て GDFL ライセンスに基づいてここに転載されます。参照。 （リンク） 。
ここで、この現象を巨視的に表現できる別の画像、水中の渦の画像を提案します。
川を想像して、この川に石を置いてみましょう。流れは岩にぶつかると渦を巻き起こします。渦は岩から離れ、遠ざかるにつれて消えていきます。観察された物体は渦ですが、それ自体が物体なのでしょうか、それとも他の 2 つの物体の相互作用の結果に過ぎないのでしょうか?確かに、位置、大きさ、速度など、渦そのものを研究することはできますが、単独で存在することはできません。実際、岩と流れの相互作用の結果です。
2 つの石が互いに一定の距離を置いて配置され、水の流れの中で並んでいると想像してみましょう。上流の岩の後には渦巻きが観察され、下流の岩の後には渦巻きが観察されます。つむじ風が岩から岩へと伝わったと推測できますか?確かにそうではありません。また、渦が川の源から岩まで伝わったとも言えません。渦は、電流と障害物との相互作用によって局所的に形成されますが、2 つの障害物の間にはそれ自体が存在しません。
フォトンとの比較
光子は旋風のようなものです。
- 渦の出現はランダムですが、電流の強さと岩石の大きさ（渦の平均的な大きさ、出現頻度）によって決まるのと同じように、光子の出現もランダムですが、電磁波によって決定されます。ターゲット原子;
- 岩がなければつむじ風もありません。同様に、波が真空中を伝わる場合、波束は存在しません。
- 渦が消えていくのと同じように、光子も散乱すると（つまり、吸収されなければ）その後消え、相互作用後の短い距離だけ局在化します。
もちろん、「電磁波」を「波動関数」に置き換えれば、あらゆる素粒子との比較が可能です。
比喩の限界
しかし、比較するのは正しくありません。確かに、それは単なる比喩、比喩にすぎません。粒子は渦ではありません。
さらに、この比喩は波束の縮小現象を考慮していません。実際、渦の場合、流れの運動エネルギーが局所的に集中しているだけですが、流れはその力を脇に置きます。逆に光子の場合は、波束内に集中する波の部分のエネルギーの総和h・νである。したがって、光子が原子に吸収されると、さらに離れたところに別の波束の凝縮は存在しません。したがって、ヤングのスリット実験では、光子が金属板上に凝縮した場合、金属板上に光子が出現する可能性があるまで「一定時間」（エネルギー流が大きいほど短くなります）待つ必要があります。後ろにある写真プレート。
比喩の一部として、波束の減少を表すには、川底が狭く、渦によって川の一部が干上がるほどの水が集中することを想像する必要があります。
さらに、渦は常に電流の方向に従いますが、光子は全方向に散乱します (レイリー散乱)。
そして、岩石として表される原子は、水の流れとして表される電磁波/光子とは根本的に異なると考える人もいるかもしれません。これは当てはまりません。量子物理学では、2 つの物体は波動関数によって同じように表現されます。唯一の違いは、原子が固体物質内に置かれた場合（穴の開いた金属板上の原子、写真乾板上の原子の場合）、その存在確率は均一ではなく、限られた領域に集中していることです。これにより、次のような表現が正当化されます。体積が限られた物体（岩）。 2 つの川の合流点(流れの干渉により渦が発生する) を考慮することで、この比喩を改善することができます。これは、電磁波内の孤立した原子のジェットの現象を表します。
コンセプトの歴史
波動と粒子の二重性は、純粋な波動と粒子の側面が順番に好まれてきた長い歴史の終わりに確立されました。これらの側面は、 20世紀にすべての物理的オブジェクトに拡張される前に、最初は光の理論で強調されました。
ホイヘンスとニュートン
最初の完全な光理論は、17 世紀にオランダの物理学者クリスティアン ホイヘンスによって確立されました。彼は光の波動理論を提案し、特に光波が直線伝播する波面を形成するように干渉する可能性があることを実証しました。しかし、彼の理論には他の分野で一定の限界があり、すぐにアイザック・ニュートンによって同時に確立された光の粒子理論によって覆い隠されてしまいました。
ニュートンは、小さな粒子で構成される光を提案し、光反射の現象を簡単に説明しました。この理論はかなりの複雑さを伴いますが、レンズによる屈折現象やプリズムによる光線の分散現象も説明できます。
ニュートンの絶大な名声の恩恵を受けて、この理論は 1 世紀以上疑問視されませんでした。
フレネル、マクスウェル、ヤング
19 世紀初頭に、トーマス ヤングとオーギュスティン フレネルによって行われた回折実験は、ホイヘンスの理論の正確さを実証しました。これらの実験は、光が回折格子に送られると、 に非常によく似た特徴的な干渉パターンが観察されることを証明しました。水面の波紋の干渉によって生じる模様。このようなパターンから光の波長を計算することができます。
波の観点はすぐに粒子の観点に置き換わったわけではありませんが、特に他のアプローチを説明できる光の偏光現象の説明のおかげで、19 世紀に徐々に科学界に押し付けられるようになりました。これらの方程式は多くの実験によって検証され、ホイヘンスの観点は広く受け入れられるようになりました。
ジェームス・マクスウェルは、19 世紀後半に、マクスウェル方程式を使って光を電磁波の伝播として説明しました。
アインシュタインと光子
1905 年、アルバート アインシュタインはホイヘンスの理論とニュートンの理論を調和させました。彼は、粒子の性質を備えた発光エネルギー量子である光子の存在を仮定することによって、光が波として作用しない効果である光電効果を説明しました。アインシュタインは、この光の周波数νが光子のエネルギーEに関連付けられていると仮定しました。
- E = hν
ここで、 h はプランク定数(6.626×10 -34 J s) です。
ド・ブロイ
1924 年、ルイ ド ブロイは、すべての物質 (光だけでなく) には波の性質があると主張しました。彼は粒子の運動量p をド・ブロイ波長と呼ばれる波長 λ に関連付けました。
- $$ {\lambda = \frac{h}{p}} $$
光子の運動量(または運動量) は次のように与えられるため、これは上に示したプランクとアインシュタインの関係を一般化したものです。
ド・ブロイが示した公式は、3 年後にクリントン・ジョセフ・デイヴィソンとレスター・ハルバート・ジャーマーによって確認されました。これらは、光子とは異なり、質量を持つ電子ビームを結晶回折格子に向けて誘導し、予想される干渉パターンを観察することができました。その後、同様の実験が陽子や分子全体を使って行われ、特に 1929 年のエステルマンとオットー・スターンの実験では、すべての場合で式が確認されました。
ド・ブロイは、当時の物理学に大きな影響を与えた仮説により 1929 年にノーベル物理学賞を受賞しました。
最も驚くべき確認は、1999 年にウィーン大学の研究者によって行われたもので、フラーレン(C 60分子) を回折しました。この実験では、ド・ブロイの波長は 2.5 pm でしたが、分子の直径は約 1 nm、つまり 400 倍でした。
二面性を強調する
波動と粒子の二重性を実証する最も明確な方法の 1 つは、ヤング スリット実験です。この実験は 19 世紀から知られており、光の純粋な波のような側面が初めて明確に実証されました。適切に修正すると、光だけでなく他の量子物体の波動粒子の二重性を見事に実証することができます。以下の説明では、光と光子について説明しますが、少なくとも原理的には、他の粒子 (電子など)、さらには原子にも適用できるという事実を見失ってはなりません。分子。
この実験は、非常に近接した 2 つの非常に細かいスリットが穿孔されたスクリーンを光源で照明することから構成されます。これら 2 つのスリットは、2 つの二次発光源のように動作します。写真乾板はスクリーンの後ろに置かれ、2 つのスリットから来る光を記録します (⇐ 図 1 を参照)。
これら 2 つの光源が干渉し、写真乾板上にいわゆる干渉縞が形成されます (図 2 ⇒ を参照)。この図は光の波動の特徴を示しています (干渉に関する記事を参照)。経験がこのレベルに留まると、粒子的な側面は現れません。
実際、一次光源の光強度を低減して、光が光子単位で放出されるようにすることが可能です。その場合、光の挙動は、波動粒子の二重性に訴えなければ説明不可能になります。
実際、光源を 2 つのスリット (たとえば) を通してマイクロ ボール、つまり「本物の」粒子を発射する大砲に置き換えると、干渉パターンは得られず、単にスリットの反対側にあるより大きな高密度のゾーンが得られます。 (⇐ 図 3 を参照)。
しかし、光子の場合は、光子が写真乾板上に現れるにつれて、干渉像が少しずつ再構成されていきます（図4⇒）。したがって、写真乾板への衝撃の粒子状の側面と同時に、波の特徴である干渉パターンを発見しました。
この実験の解釈は難しい。光を波と考えると、写真乾板上の衝突点が説明できないからである。この場合、図 2 の干渉パターンが最初の瞬間から非常にかすかに見え、その後ますます強くなります。逆に、光が粒子だけで構成されていると考えると、写真乾板への影響は簡単に説明できますが、干渉パターンは説明できません。これらの粒子にとって特定の領域が優先され、他の領域が禁止されるのはなぜですか?
したがって、両方の側面を同時に示す、光子 (またはその他の量子物体) の波動粒子二重性が存在することは明らかです。
二元性の解釈
量子力学では、波動粒子双対性は次のように説明されます。あらゆる量子系、したがってあらゆる粒子は、すべての測定可能な変数(観測変数とも呼ばれます) の確率密度[ 3 ]をコード化する波動関数によって記述されます。粒子の位置は、これらの変数の 1 つの例です。したがって、観測が行われる前に、粒子の位置は確率波の観点から記述されます。
2 つのスリットは、これらの確率波の 2 つの二次ソースと考えることができます。2 つの波はそこから伝播し、干渉します (右の図を参照 ⇒)。
写真乾板上では、波束の縮小、または波動関数のデコヒーレンスと呼ばれるものが発生します。光子は、波動関数によって与えられる確率で実体化します。いくつかの場所 (明るいフリンジ) に隆起するか、弱いか、まったく存在しません。他のもの（暗い縁）。
この実験は、量子力学の本質的な特徴も示しています。観測が行われるまでは粒子の位置は確率波で記述されますが、粒子が観測（または測定）された後は固定値で記述されます。
測定プロセスをどのように概念化するかは、量子力学における大きな未解決の問題の 1 つです。標準的な解釈はコペンハーゲン解釈ですが、デコヒーレンスの理論も科学界でますます考慮されています。詳細な議論については、記事「量子測定問題」を参照してください。