アフシャール実験

アフシャール実験は量子力学における二重スリット実験のバリエーションであり、2004年にシャフリアール・アフシャールによって考案され実行された。 ^{[1] [2]}この実験では、レーザーによって生成された光が2つの近接したピンホールを通過し、レンズによって再焦点が合わせられ、各ピンホールの画像が別々の単一光子検出器に映る。さらに、細いワイヤのグリッドが干渉パターンの暗い縞模様のレンズの直前に配置される。^[3]

アフシャールは、この実験により光子が装置内をどの経路で通過するかに関する情報が得られ、同時に経路間の干渉を観察できると主張した。^{[4] [5]}アフシャールによれば、これは量子力学の相補性原理に違反しているという。^{[3] [6]}

この実験は多くの研究者によって分析され、繰り返されてきました。^[7]相補性を破ることなくこの効果を説明する理論はいくつかあります。^{[8] [9] [10] [11]} ジョン・G・クレイマーは、この実験が量子力学の トランザクション解釈が他の解釈よりも優れている証拠を提供すると主張しています。

シャリアール・アフシャールの実験は、当初ボストンの放射線誘発質量研究所（IRIMS）^{[12]で行われ、後に彼が}客員研究員として滞在していたハーバード大学で再現されました。^[1]結果は、2004年3月にハーバード大学で行われたセミナーで初めて発表されました。 ^{[2]この実験は、}ワシントン大学のジョン・G・クレイマー教授が推薦する人気科学雑誌「ニューサイエンティスト」の2004年7月24日号の表紙ストーリーとして特集されました。^{[1] [13]}ニューサイエンティストの特集記事は、2004年8月7日号と8月14日号に掲載されたアフシャールの結論に異議を唱えるさまざまな投書を含む多くの反響を呼びました。^[14]この結果は2005年にSPIE会議の議事録に掲載されました。^[4]フォローアップ論文は2007年1月に科学雑誌Foundations of Physicsに掲載され、 ^[3] 2007年2月にNew Scientistに掲載されました。 ^[15]

この実験では、二重スリット実験と同様の設定が用いられている。アフシャールの変種では、レーザーによって生成された光が、間隔が狭い 2 つの円形ピンホール（スリットではない）を通過する。二重ピンホールを通過した後、レンズが光を再焦点化し、各ピンホールの画像が別々の光子検出器に当たるようにする（図 1）。ピンホール 2 が閉じている場合、ピンホール 1 を通過した光子は光子検出器 1 にのみ当たる。同様に、ピンホール 1 が閉じている場合、ピンホール 2 を通過した光子は光子検出器 2 にのみ当たる。両方のピンホールが開いている場合、アフシャールは Wheeler ^[16]を引用して、ピンホール 1 は光子検出器 1 と相関関係を維持しており（ピンホール 2 は光子検出器 2 と相関関係を維持している）、したがって両方のピンホールが開いているときはどちらの方向の情報が保持されると主張している。^[3]

光が波として作用する場合、量子干渉のために、光子が避ける領域、つまりダークフリンジが存在することが観察されます。細いワイヤのグリッドがレンズの直前に配置され (図 2)、デュアルピンホールセットアップによって生成される干渉パターンのダークフリンジ内にワイヤが位置するようにします。ピンホールの 1 つがブロックされると、干渉パターンは形成されなくなり、ワイヤのグリッドによって光に顕著な回折が生じ、対応する光子検出器による検出が一部ブロックされます。ただし、両方のピンホールが開いている場合は、ワイヤが干渉パターンのダークフリンジ内にあるため、ワイヤの影響は無視でき、レンズの前にワイヤが配置されていない場合 (図 3) と同程度です。この影響は光強度 (光子束) に依存しません。

アフシャールの結論は、両方のピンホールが開いている場合、光はワイヤを通過するときに波のような挙動を示すが、これは光がワイヤ間の空間を通過するもののワイヤ自体は避けるためである。しかし、レンズを通過した後は粒子のような挙動を示し、光子は相関光検出器に向かう。アフシャールは、この挙動は、同じ実験で同じ光子に対して波と粒子の両方の特性を示すという点で、 相補性の原理に反すると主張している。

アフシャールは、干渉の可視性Vと識別性D （どの経路の情報に対応）が同時に高いため、 V ² + D ² > 1となり、波動粒子二重性関係が破れると主張している。^[3]

多くの科学者がアフシャールの結果の解釈に対する批判を発表しており、その一部は相補性の違反の主張を否定しながらも、相補性が実験にどのように対処するかを説明する方法が異なっている。例えば、ある論文は、エングラートとグリーンバーガーの双対関係が違反しているというアフシャールの核心的な主張に異議を唱えている。研究者は、干渉パターンの可視性を測定するためにアフシャールが使用した方法とは異なる方法を使用して実験を再実行し、相補性の違反は見つからず、「この結果は、実験が量子力学のコペンハーゲン解釈によって完全に説明できることを示している」と結論付けている。^[10]

以下は、数人の批評家による論文の概要であり、彼らの主な主張と彼らの間の意見の相違を強調しています。

• ルース・カスナー、メリーランド大学カレッジパーク校科学史哲学委員会^{[8] [17]}

  査読付き論文で発表されたカストナーの批判は、思考実験を設定し、それにアフシャールの論理を適用してその欠陥を暴くという形で進められている。彼女は、アフシャールの実験は、スピンアップ状態の電子を準備し、その横向きスピンを測定することと同等であると提案している。これは、任意の電子の上下スピン状態と横向きスピン状態を同時に発見したことを意味するものではない。アフシャールの実験に当てはめると、「それでも、グリッドが除去されたとしても、光子は重ね合わせSで準備されるため、 t ₂ の最終スクリーンでの測定は、実際には「どちらの方向」の測定（スリット基準観測量に伝統的に付けられる用語）には決してならない。なぜなら、光子が実際にどのスリットを通過したかを知ることができないからである。${\displaystyle {\mathcal {O}}}$

• ダニエル・ライツナー、スロバキア科学アカデミー物理学研究所量子情報研究センター、スロバキア、ブラティスラバ^[18 ]

  ライツナーは、アフシャールの配置の数値シミュレーションを行い、プレプリントで発表し、アフシャールが実験で得たのと同じ結果を得た。このことから、彼は、光子は、検出器に当たるまで、高い縞模様の可視性を含む波動挙動を示すが、どちら方向の情報はないと主張している。「言い換えれば、2 つのピークを持つ分布は干渉パターンであり、光子はプレートに当たるまで波として動作し、粒子特性を示さない。結果として、この方法ではどちら方向の情報を得ることはできない。」

• WG・ウンルー、ブリティッシュコロンビア大学物理学教授^[19]

  アンルーはカストナーと同様に、同等だがより単純であると思われる配置を設定して話を進めます。効果のサイズが大きいため、論理の欠陥が簡単にわかります。アンルーの見解では、その欠陥とは、暗い縞の位置に障害物がある場合、「粒子が検出器 1 で検出された場合は、パス 1 から来たに違いないという推論を導き出すことです。同様に、検出器 2 で検出された場合は、パス 2 から来たに違いない」ということです。言い換えると、彼は干渉パターンの存在は認めますが、どちら側から来たかという情報の存在は否定します。

• ルボシュ・モトル、ハーバード大学物理学元助教授。^[20]

  ブログに掲載されたモトル氏の批判は、ウンルー氏やカストナー氏のような別の実験を提案するのではなく、アフシャール氏の実際の設定の分析に基づいています。ウンルー氏やカストナー氏とは対照的に、彼はどちら向きの情報は常に存在すると考えていますが、干渉パターンの測定されたコントラストは実際には非常に低いと主張しています。「2番目の中央の画像からのこの信号（妨害）は小さいため（つまり、光子のごく一部にしか影響しない）、コントラスト V も非常に小さく、極端に細いワイヤではゼロになります。」また、この実験は古典的な電気力学で理解でき、「量子力学とは何の関係もない」と主張しています。

• オーレ・シュタイアーナゲル、ハートフォードシャー大学物理学・天文学・数学学部、英国。^[9]

  Steuernagel は、Afshar とわずかに異なる設定で、さまざまな透過、屈折、反射モードの定量分析を行っています。彼は、Englert-Greenberger の双対関係が厳密に満たされており、特に細いワイヤの干渉縞の可視性は小さいと結論付けています。他の批評家と同様に、彼は干渉パターンを推測することは干渉パターンを測定することと同じではないことを強調しています。「最後に、Afshar による分析の最大の弱点は、干渉パターンが存在するはずだという推測です。」

• アンドリュー・ナイト、ニューヨーク大学物理学科^[21]

  アフシャールの相補性違反の主張は単純な論理的矛盾であると主張する。すなわち、光子が 2 つのピンホールにわたって空間的にコヒーレントになるように実験を設定すると、それらの光子によってピンホールは必然的に区別できなくなる。「言い換えれば、アフシャールらは、ピンホール A と B が特定の光子 [具体的には、ピンホールがまたがる幅にわたって空間的にコヒーレントになるように生成されるため、ピンホール同士を区別できない光子] によって本質的に区別できないように実験を設定したと言いながら、次の瞬間には、同じ光子でピンホール A と B を区別したと主張している。」

• アフシャールの共著者であるエドゥアルド・フローレスとエルンスト・クノーセルはカストナーのセットアップを批判し、代わりの実験セットアップを提案している。^[22]アフシャールのレンズを取り除き、2本のビームを小さな角度で重ね合わせることで、フローレスらは、両方のピンホールが開いているときに運動量保存則がどちらの経路の情報の保存を保証することを示すことを目指した。しかし、この実験は依然として、2本のビームがスリット前のビームの収束によって作り出された超顕微鏡的回折パターンを持っているというモトルの反論の対象となっている。その結果、ワイヤーに到達する前にどちらのスリットが開いていたかを測定することになる。

• ジョン・G・クレイマーは、コペンハーゲン解釈や多世界解釈よりも量子力学の独自のトランザクション解釈を支持するために、アフシャールの実験解釈を採用した。^{[23] [24]}

• ウィーラーの遅延選択実験
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• 弱い測定
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