光は波なのか、粒なのか——その二択から考え直す

波のような性質と、粒のような性質の両方を示す、と説明されるね。

名前をつけるだけでは、反射する向きや、干渉する場所、検出される回数を予測できない。それを既に知っているモデルで説明しようとして、波や粒という言葉を持ち込んだのかもしれない。

そうだね。ただ、光の話と炎や意識が同じ仕組みだということではない。まず分類軸が対象に合っているか、という確認に使っている。

電流も「流れる」と言うね。金属では電子の運動を考えるけれど、水が管の中を流れるのと全く同じではない。

便利な言葉が、余分な性質まで連れてくる。どこまで同じで、どこから違うかを確かめないといけないね。

光がほぼ直進したり反射したりすることには、粒の運動に似た説明を考えやすい。一方、干渉や回折は波の重ね合わせで説明できる。その後、電磁気学では光を電磁波として扱えるようになった。でも、エネルギーのやり取りや検出の統計には、古典的な波の記述だけでは足りない現象があった。

電場と磁場が、場所と時間に応じて変化する。水や空気のような物質的な媒質が振動して光を運ぶ、というモデルではない。

磁石の周りへ方位磁石を置くと、場所によって向きや作用が変わる。その空間ごとの物理量を場として表す。場は単なる絵ではなく、力やエネルギーなどの予測に使われるものだね。

そこは共通する見方。ただし、重力場と電磁場は別の物理的対象だし、重力波と光が同じ波という意味でもない。今の寄り道で得たのは、「物質の媒質が見えないから、変化は伝わらない」とは言えない、ということ。

弱い光を適した検出器で数えると、個々の検出イベントとして現れる。多数回の結果を集めると、平均的な強度の分布と対応していく。

そういう小球の分裂で考えると混乱する。単一光子を用意した状態では、検出される位置の分布が広がることと、一回の検出が局所的に起こることを分けて扱う。損失や検出効率があれば、検出されない試行もある。

量子状態の時間変化と、一回ごとの観測結果は同じものではない。状態から結果の確率分布を計算し、実験の繰り返しと比べる。

短い時間の光を波束と考えると、発光時間から波長が決まる、と言いたくなるけれど……。

そうだね。今の説明は混ぜてしまった。中心の周波数やスペクトルは発光過程に関係する。一方、有限時間に局在したパルスは、単一の周波数だけでは表せず、周波数の幅を持つ。短さとスペクトル幅の関係はあるけれど、発光時間だけで色が一意に決まるわけではない。

うん。光子数と、波の周期数やパルスの長さは別の軸。狭い周波数範囲なら一光子のエネルギーを hν と表せるが、幅の広い波束では周波数分布も扱う必要がある。

検出器に一点ずつ出る。それが粒子性の証拠、と説明すれば……。

その通り。局所的な検出と、古典的な軌道を持つ小球は区別すべきだった。干渉する経路がある場合、どちらを通ったと決めた絵だけでは検出分布を説明できない。

変身の動画を見たわけではないからね。状態の記述、装置との相互作用、観測結果を区別して話す方が正確だ。

では「確率が波のように伝わる」と言えばどうだろう。

雑な表現だった。時間発展させるのは位相を含む量子状態や確率振幅で、そこから測定結果の確率を計算する。確率そのものを流体にしてはいけない。

50対50で出るから粒子的、と……。

うん。見るべきなのは、入力の状態と、二つの検出器の同時検出を含む統計。理想的な一光子入力なら、同じ一光子を二つの出力で同時に吸収することはない。実験では暗計数、多光子成分、損失なども評価する必要がある。

弱くしたレーザー光は、平均が一でも、ゼロ個や複数個の成分を含む。一光子状態と同じだとは言えないね。

現代的には、光を量子化された電磁場として扱い、その一量子を光子と呼ぶ。波動的な伝播や干渉、励起数として数えられること、局所的な検出を、一つの理論で記述する。

そして「量子化された場」と言えば、存在の究極の正体まで分かった、というわけでもない。測定をどう解釈するかや、光子の位置をどこまで普通の位置と同じように語れるかには、さらに別の論点がある。