東北大など、アインシュタインとボーアの思考実験を分子レベルで実現

東北大学は11月28日、アインシュタインとボーアの論争で思考実験として提案された2重スリット実験を、酸素分子の2個の酸素原子を2重スリットに置き換えることによって実現したと発表した。

同成果は、同大 多元物質科学研究所の上田潔教授、フランスのソレイユシンクロトロン放射光施設のCatalin Miron研究員のグループ、スウェーデン王立工科大学のFaris Gel’mukhanov教授らによるもの。詳細は、英国の科学雑誌「Nature Photonics」のオンライン版に掲載される。

アインシュタインとボーアは20世紀前半、光や電子があわせ持つ波としての性質と粒子としての性質の2重性の解釈について、論争を繰り広げた。彼らが論争の際に用いた手法は思考実験で、実際には実験を行うことなく、理論的思考によって実験結果を演繹するものだった。彼らの思考実験は、当時、実現できないものばかりだったが、のちの研究者の想像力を大いに掻き立てた。そして、現在もさまざまな実験的検証が行われている。

今回、研究グループはアインシュタインとボーアの論争でも主要な位置を占める2重スリット実験を分子レベルで実現した。まず、フランスの中型高輝度放射光施設ソレイユの最先端の軟X線ビームラインにおいて、酸素分子を励起し、放出された電子と電子放出の結果生成されたイオンの運動量を同時に計測した。この実験の結果、酸素分子または解離生成した酸素原子と高速電子との間の運動量の交換を測定することに成功した。

ここで、2つのシナリオが考えられたという。第1のシナリオは、高速電子の放出が酸素分子の解離の前に起きる場合で、このとき、2個の酸素原子、つまり2つのスリットはつながっている。この場合、2個の酸素原子が受ける反跳運動量は同じである。従って、どちらの原子が電子を放出したかは決定できない。第2のシナリオは、分子が解離してから高速電子が放出される場合で、この場合、一方の酸素原子が高速電子の反跳運動量を受け取るため、どちらの原子が電子を放出したかを決定できる。研究グループはこの2つのシナリオに相当する現象をそれぞれ観測し、第1のシナリオの場合には有名なヤングの2重スリット実験のように干渉縞が現れ、第2のシナリオの場合には干渉縞が消えることを実証したという。この結果は、ボーアの反論を支持するものだったとしている。