単一光子のふしぎなふるまい

音は、波の媒体である空気を伝搬する時、その進行方向に粗密な部分が振動する「たて波」です。スピーカーは前後方向に振動することによって音を発生させており、「たて波」であることが分かります。

フォトン（光子）の二重性 で紹介したヤングの干渉実験では、光が「たて波」であったとしても干渉縞は発生する様子を説明できますが、フレネルとアラゴは、当時からすでに知られていた「偏光」という概念を用いた干渉実験を行い、光が「よこ波」であることを証明しました。ここに光の真の姿のもう一面が明らかになりました。

ここまでで偏光を理解できましたので、もう一度、始めに戻って、光が偏光を持つ「よこ波」であることを証明したフレネル・アラゴによる実験を説明します。

フォトン（光子）の二重性 で紹介した単一光子のヤングの干渉実験では、ダブルスリットを透過する光によって波の性質を示す干渉縞が現れました。この実験では、光子はたった一個の粒子であるのにもかかわらず、二つのスリットの両方を同時に通過でき、波としての性質を示す干渉縞を作り出しました。この結果から、光子は粒子でもあり波でもある、すなわち二重性を示していることが分かります。

次にフレネル・アラゴの実験系を図Bに示します。ヤングの干渉実験との違いは、ダブルスリットのそれぞれに右45°傾いた偏光子と左45°傾いた偏光子がそれぞれ貼ってあることです。このため、それぞれのスリットから出てくる「よこ波」である光の偏光は互いに直交した独立した成分です。図のピンクの矢印と緑の矢印が偏光の向きを示しています。図B-1では、ピンクと緑はお互いに直交しています。この場合、スクリーン上には干渉縞は現れません（図B-1）。＜参考：日経サイエンス2012年3月号32「光子の逆説」＞

この結果は以前に フォトン（光子）の二重性 で説明したヤングの干渉実験の結果とは異なりますね。どうして干渉縞が現れないかが分りにくいですが、後ほど、別の言い方で補足説明します。

次に、図B-2に示すようにダブルスリットの後ろに鉛直方向（上下方向）の検光子（偏光子と同じですが、光路上に幾つかの偏光子を並べる時、最後の１個を検光子と呼びます）を置きます。この時は、何が起こるでしょうか？右のスリットから出た光の偏光（振動方向）は右に45°傾いていますが、検光子を通り抜けた時、振動方向は鉛直（上下）に変わります。同様に、左のスリットから出た光の偏光も、振動方向は鉛直（上下）です。従って、この場合は最後のスクリーン上では同じ上下方向の偏光なので干渉した結果、干渉縞が現れます（図B-2）。