光の回折・干渉・波の性質

質問

既出でしたらすみません。
暇人の素朴な疑問ですが・・・
ヤングの干渉実験等で実証される光子の挙動の
原因の力というか、その根本の現象は何なのでしょう？
光の波の性質はどこから来ているのでしょう？

光子より広い空間に広がっている確率波という概念に違和感
があります。結果論として確率波という概念を作り出したのは
よいとして、結局確率波を作り出す実体って何なのでしょうかね？
なにか、それについて情報があれば教えていただけますでしょうか？

また、光を粒として考えると
スリットでの回折は何もない空間で光子が向きを変える
ようなことになっているのでしょうか？
スリットが存在することで光の電磁場の挙動が変化する？

ごめんなさい。こんがらがってきていますが教えてください。

回答No.5

tetsumyi

これは量子力学の根本的な重大問題を含んでいます。
量子に関しては測定しようとすることが量子に重大な影響を与えますが測定、または他の量子に影響を及ぼさないと量子の性質を知ることができません。
これらを受け入れて、その上の構築されたのが量子力学です。
本質から言えば光そのものは良くわからないが結果から確率なんてことが出てきています。
光をスリットを通すなんてことは光の本質に重大な影響を及ぼしていることは間違いないです。

回答No.4

hitokotonusi

＞なにか、それについて情報があれば教えていただけますでしょうか？

世界中の人が同じことを考えてると思います。
シュレーディンガー方程式の解としての波動関数(確率波)は実体か、
正しい結果を得るためだけのただの数学的媒介物か。
今も世界中の人が考えつづけています。つまり、だれにもわかりません。

長いこと同じような立場にあった電磁気学で出てくるベクトルポテンシャルは、
アハラノフ・ボーム効果の実験的確認によって物理的に意味がある実在物であると実証されました。
波動関数はどうなることでしょうか・・・・

＞光の波の性質はどこから来ているのでしょう？

万物はすべからく波であり、いかにして粒子性が発現するか、という切り口のほうがいいような気はします。もちろん、答えはありません。

回答No.3

sanori

んー・・・
このサイトは質問者に答える場で、回答者に答える場ではないのですが、

「非局所的である、すなわち波動である」については、分身してストップウォッチを持って走ること

「局所的な存在」については、スリットのどの穴を通過するかがわかるような検出手段を用いると、途端に干渉がなくなること

これをもって説明したつもりです。

回答No.2

cyototu

＃１の方へ。

質問者さんの疑問は、局所的な存在である筈の粒子が同時に非局所的である、すなわち波動である、と言うことの意味が解らないと言っていると思えるのです。

それに対して貴方の説明では、粒子は分身の術を使うので、そもそも局所的であると言うのが間違いであると言っているようにも聞こえます。別の言い方をすると、光は非局所的な存在であるという古典電磁気学を踏襲しているだけのように見えます。それだったら古典電磁気学さえあれば良いことになってしまう。古典電磁気学に無理矢理光子という本来存在しない粒子を導入して、言葉の遊びで理屈を述べているようにも思えてしまう。だから何で量子力学が必要であるのか、すなわち光子って何なのかの説明になっていない。

別の言い方をするとボルンの業績を無視しているような言述にも思えてしまいます。そこの部分を、もう少し分からせて説明して下さいませんか。

回答No.1

sanori

こんにちは。

煙に巻くつもりはなく、大真面目に物理法則にもとづいて書きますので、そのつもりで読んでくださると幸いです。

＞＞＞ヤングの干渉実験等で実証される光子の挙動の原因の力というか、その根本の現象は何なのでしょう？

光があるＡ地点からあるＢ地点へ行くとき、直進経路だけではなく、考えられるすべての経路を通るということです。
つまり、光はＡ地点から「分身の術」を使って無限個に分かれ、
カーブの経路、シュートの経路、フォークボールの経路、山なりボールの経路、いったん後ろに行って回りこんでから行く経路、くるくる回転しながら行く経路、とにかくあらゆる経路を通ってＢ地点にたどり着きます。

分身の術を使うとき、各々が「秒針しかないストップウォッチ」を持って飛びます。その秒針の向きというのは位相のことです。秒針が１回転したら２πです。
位相の差が　π＋２ｎπ　の辺りだと弱めあい、　２ｎπ　辺りだと強め合います。

光の干渉というのは、複数の光の粒どうしが干渉しているのではありません。
１つの粒が分身したものどうしが干渉します。
ですから、ものすごく光の量を弱めて、光の粒を１発ずつ発射したとしても見事に干渉が起こります。

これがあなたの言われるところの「根本の現象」です。

ちなみに、スリットも何もない広いところで、光が単に直線経路で走るように見えるのは、全部の経路についてストップウォッチの針の向きの「合計」をベクトルの足し算として求めると、その合計結果に実質的に寄与するのが直線経路および直線経路にほぼ近い成分だけで、ほかの成分は相殺して消えてしまうからです。

＞＞＞光の波の性質はどこから来ているのでしょう？

それは、「ロミオ。なぜあなたはロミオなの？」というジュリエットの台詞と同じで、意味がないです。

＞＞＞結局確率波を作り出す実体って何なのでしょうかね？

物質波のことでしょうか？
波動関数を２乗すると、その時その場所に存在する確率になりますが、確率を計算するという作業をしさえしなければ、量子力学は確率論ではなく決定論となります。

＞＞＞また、光を粒として考えるとスリットでの回折は何もない空間で光子が向きを変えるようなことになっているのでしょうか？
＞＞＞スリットが存在することで光の電磁場の挙動が変化する？

１つの板にスリット穴が２つあれば、分身の術を使う光は、１人で両方の穴を通ります。
３つあれば、１人で３つを通ります。
ただそれだけです。

面白いのは、どちらの穴を通ったかがわかるような検出手段を設けると、干渉がなくなるということです。
検出手段を設けた穴は、光は分身の術を使わず、１個の粒が丸々全部通過します。