【ITニュース解説】The Double-Slit Experiment: The Universe, Our Thoughts, and Reality

二重スリット実験は、私たちの物理的な現実や、私たちがどのように現実を認識しているかについて、深く考えるきっかけを与える極めて重要な実験である。この実験は、宇宙の最も基本的な構成要素である素粒子、例えば光子（光の粒子）や電子（電気を運ぶ粒子）が、私たちが直感的に理解しているような「物」とは異なる振る舞いをすることを示す。

実験は比較的単純な設定で行われる。まず、光や電子を発射する装置があり、その前方には二つの細いスリット（切れ目）が入った壁がある。さらにその壁の後方には、粒子が到達した位置を記録するスクリーンが設置されている。私たちが普段目にするような小さなボールのようなものが二つのスリットに向かって投げられた場合、そのボールはどちらか一方のスリットを通り、スクリーンには二つのスリットの形に対応する二本の線が現れるはずだと誰もが考えるだろう。これが、粒子が「粒子」として振る舞う場合の古典的な予測である。

しかし、この実験を光子や電子といった素粒子で行うと、驚くべき結果が示される。もし光を光源から発射し、それをスクリーンに投影すると、スクリーンには複数の明るい線と暗い線が交互に現れる「干渉縞」と呼ばれるパターンが観察される。この干渉縞は、波が互いに強め合ったり弱め合ったりすることで発生するものであり、水面に二つの波紋が生じるときの干渉とよく似ている。つまり、光が波としての性質を持っていることを示す。

さらに不可解なのは、電子のような「粒子」と考えられているものを、一つずつ発射した場合でも同様の干渉縞が現れることである。電子は質量を持ち、明らかに粒子であるにもかかわらず、まるで波のように振る舞い、同時に二つのスリットを通り抜けて干渉し合ったかのような結果を生み出すのだ。これは、個々の電子が単独で行動しているにもかかわらず、自らと干渉しているかのように見えるという、私たちの直感に反する現象である。

この実験の最も不可思議な部分は、私たちが「観測」する行為が結果に影響を与えるという点である。もし、電子がどちらのスリットを通過したかを何らかの方法で「見よう」（観測しよう）とすると、干渉縞は瞬時に消え去ってしまう。そして、スクリーンには、まるで電子が古典的な粒子のようにどちらか一方のスリットだけを通り、期待された通りの二本の線が表れるパターンに戻ってしまうのだ。観測装置を取り除けば再び干渉縞が現れ、観測装置を置けば干渉縞は消える。これは、粒子が「見られていない」ときと「見られている」ときとで、その振る舞いを劇的に変えることを意味する。

この現象は、量子力学における「重ね合わせ」と「観測による状態の収縮」という概念で説明される。観測されていない状態では、素粒子は「同時に二つのスリットを通過する可能性」や「あらゆる可能な状態が同時に存在する」という重ね合わせの状態にあると解釈される。しかし、私たちがその素粒子を観測しようとすると、その重ね合わせの状態は一瞬で崩れ去り、粒子が特定の場所や特定の状態に「収縮」する。つまり、観測という行為そのものが、粒子の複数の可能性を一つに確定させる働きをするのである。

この二重スリット実験の結果は、単なる物理現象の発見にとどまらず、私たちの「現実」に対する認識に根本的な疑問を投げかける。私たちが観測するまで、宇宙の基本的な構成要素は確定した存在ではなく、複数の可能性が同時に存在する「潜在的な状態」にあるのかもしれない。そして、私たちの意識や観測行為が、その潜在的な状態を具体的な現実として「作り出している」かのように見える。客観的で独立した現実が存在するという私たちの一般的な考え方が、この実験によって揺さぶられるのである。

この実験は、量子力学の根幹をなし、量子コンピュータや量子暗号といった最先端の技術開発の基礎となっている。情報処理の観点から見れば、観測がデータの状態を確定させるプロセスは、未確定な情報が確定した情報へと変化するメカニズムを物理的なレベルで示しているとも言える。二重スリット実験は、科学者だけでなく、現代社会に生きる私たち全員に、宇宙と現実、そして私たち自身の役割について深く考えさせる、終わりのない問いを提供し続けているのである。