量子力学の二重スリット問題で干渉縞ができる原因は、光の波長と理解してもいいですか？

光子には粒と波の性質があるそうなのですけれども、これは、光には波長があるのが原因と理解していいですか？
たとえば、赤外線と紫外線では波長が違います。
赤外線だけを実験に使った場合と、紫外線だけを実験に使った場合では、干渉縞の範囲が違ったり、光の明るさが違ったり、しますか？
光子がスピンしながら移動しているならば、波長の違いは、回転速度ですか？光子の動く経路ですか？そのことが干渉縞の原因となっていますか？

No.3 ベストアンサー 回答者： 海猫の怒り 回答日時： 2023/10/21 15:00

光の波としての性質が、顕著に発現するのが、干渉現象です

むしろ、二重スリット実験の結果、光が干渉縞を産んだので、「光が波であること」の証明になったと言ってもよい歴史経過でした

この実験には量子力学的課題も内包されていまして
たとえば、光の粒（：光子）が、１秒に１個くらいしか二重スリット装置を通らないような、とても暗い状況でも、３か月もフィルムを使って感光させれば、干渉縞があらわれます
とても波とはいえないような、秒１粒の光の粒子が通るだけでも、干渉はおきるのです
このあたりの理解は、量子力学のテリトリーになります

さて
λ＝ｃ／ｆ（λ：波長、ｆ：周波数）
なのはご理解されてると思いますが
波長が短くなれば、周波数が反比例して上がります

ですから、波長λか周波数ｆのどちらかわかれば、干渉は議論できます
（物質の表面や内部など、光の方向や速度が変わるような現象がなければ）

ここを考えながら、二重スリット実験を考えると
干渉縞間隔　Δは　
ピンホール間隔ｄ、スリットー像間距離ｌ、波長λとして
Δ≒（ｌλ/ｄ）
ですから、λが大きくなれば、間隔Δは大きくなっていきます
Δが半分になるためには、波長も半分になる必要があります

ご質問文を拝見しますと
ご質問者のかたの、光の性質・波長・干渉縞の発生機構などに、すこしづつ甘いところがあるように思います

とくに「定量的に数字を当てはめて、それが現実的な値か？」という見方が不足しておられるようなので、考えられたことには、光の波長や周波数を実際に用いて計算し、実験結果がどのような値になるか？はできるだけ見極めるようにされるのが良いと思います

あとはオマケ文になりますが

（A）干渉はどんな光どうしでも生じますが、干渉縞として見えるためには、光の波長は安定で、その波長幅もかなり狭い必要があります

たとえば、２重スリットの片側を通った光と、他方を通った光が、かならず１Hzだけ周波数が違ったとしましょう

そうすると、干渉を起こす位相差は毎秒３６０度がずれますから、干渉縞は右か左に寄せる波のように移動してしまいます

5E14Hzの光の周波数が、たった１Ｈｚ違っただけで、干渉縞は止まってくれないのです
このような厳しい制約なので、違う光源から出た光を干渉させて縞をだしたり、赤外線と紫外線を重ねてそのビート周波数の干渉を出すというのは、難しいことなのです

　ここ、深く考えると難しく、レーザや光学を扱っている人間でも虚ろな方が多いものです。スッキリ理解できるまで、考えてみてください

（B）もし、ご質問者の手元の二重スリット実験の図で
二重スリットの前の最初に１つのピンホールが描いてありませんでしたか？
もしなかったら以下の議論、無視してください

　この１つ目のピンホールは、光の純度を高めて、球面波に近く整形し、2重スリットのそれぞれに入る光の性質を定めるためにあります

　もし、この二重スリットの前の１つのピンホールが無かったら、干渉縞はどうなるか？を整然と説明するのは、初学者には大変難しいとおもいます
　将来物理を学習されるときに、コヒーレンスや光学系の分解能などという小難しい名前で習うその概念の重要なポイントですので、考え続けてみてください

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。
おっしゃる通りですね。
カメラのピンホールを思い浮かべました。
知らないことをたくさん教えて貰えて、嬉しいです。
光子や素粒子には、まだわからない事が多いと思います。
それでも人は五感を補う為に、色々な方法を考えてきたのですね。

人は色々なことを考えてきました。
自然界には存在しない数字の1は、何故か、目の前にある物より、物理を理解する手助けになります。不思議です。

お礼日時：2023/10/22 14:09

No.4 回答者： tsumina 回答日時： 2023/10/21 20:34

＞光子には粒と波の性質があるそうなのですけれども、これは、光には波長があるのが原因と理解していいですか？

まったく違います。波長は、光を波と捉えた場合の物理量の一つにすぎませせん。また、光子にかぎらず、このよの物質を作るフェルミオン、力を伝えるボゾンは、すべて場がエネルギーで励起した波です。それが、相互作用がシンプルな場合にのみ、粒子として振る舞います。光子もその一つというだけです。

＞たとえば、赤外線と紫外線では波長が違います。赤外線だけを実験に使った場合と、紫外線だけを実験に使った場合では、干渉縞の範囲が違ったり、光の明るさが違ったりしますか？

波の性質なので当然そうなります。

＞光子がスピンしながら移動しているならば、波長の違いは、回転速度ですか？光子の動く経路ですか？そのことが干渉縞の原因となっていますか？

スピンは、素粒子の物理量の一つであり、べつに回転しているわけではありません。波長ともなんら関係ありません。

場の量子論を勉強しましょう。この世はすべて波であることが理解できます。

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。
量子力学の重ね合わせの状態。
どちらに存在するかわからない状態。などは、あり得ないのではありませんか？
観測しなくても、最初からどちらかにはあるはずでは？
どのように考えればいいのですか？

この世界が波だから、要するに波の原因は素粒子の対消滅だと考えると、観測した時にどちらかにあった粒ではいけませんか？

お礼日時：2023/10/22 13:53

No.2 回答者： himagene 回答日時： 2023/10/21 08:23

＞光には波長があるのが原因と理解していいですか？

光は波としての性質を持つからです。波長や周波数は波（周期的な変化）を表現するときに必要な量（言葉）です。
＞干渉縞の範囲が違ったり、光の明るさが違ったり、しますか？
干渉縞の範囲の意味がわかりません。例えば二重スリットの実験で一番明るい中心から外れた位置でいくつの縞まで見えるかという事でしょうか。それは干渉性（コヒーレンシー）と言って光の波がどこまで綺麗にそろっているかによって変わります。全体の明るさは光源の強さによって変わります。
＞波長の違いは、回転速度ですか？光子の動く経路ですか？そのことが干渉縞の原因となっていますか？
全く違います。スピンは偏光と関係しています。光子の動く経路を光路と言い、真空あるいは一様な物質中では直線です。違う物質との境目では反射と屈折が起こります。
まず中学の理科か高校の物理の教科書等をお読みになって、もっと基本的な知識を身につけてください。

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。
二重スリットの間に水槽を置いて実験すると、光の波長が干渉縞に関係しているか、目で観ても判断できますかね？
空気中でも湿度があれば、虹のように光は屈折して観える。
干渉縞は、光の屈折だったとか？
重ね合わせとは、波長の違う光とか？

それとも二重スリットの説明は、信じられないような、量子力学の難しい説明の方が正解ですか？

お礼日時：2023/10/21 11:24

No.1 回答者： mimon01 回答日時： 2023/10/20 22:46

量子力学でいうスピンは回転とは無関係で、光子のスピンは常に1です。

他は概ね合っていますが、量子力学ではなく古典光学の範疇です。

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。
スピンは回転ではないという事ですね。
他にも何か情報がありましたら、お願いします。

お礼日時：2023/10/21 11:12