アルバート・アインシュタインは、光を含む物体は粒子と波の両方として存在し、この二重性は同時に観測できないという量子論の解釈を嫌っていたことで有名です。しかし、基礎的な量子実験の新たな簡略化された反復実験は、アインシュタインが間違っていた可能性を示す、これまでで最も決定的で直接的な証拠を示しています。
MITの科学者たちは、 Physical Review Letters誌に最近発表された論文で、二重スリット実験を原子スケールで再現することに成功し、前例のないレベルの実験精度を実現しました。極低温の原子を光が通過する「スリット」として用いることで、研究チームは光の波動粒子二重性（その矛盾する性質は様々ですが）が、最も基本的な量子スケールにおいても成立することを確認しました。
1801年にイギリスの物理学者トーマス・ヤングによって初めて行われた二重スリット実験は、量子の世界における光の二重性を示しています。光線（光子「粒子」）をスクリーン上の2つの平行なスリットに通すと、スクリーンの反対側には、池の2つのさざ波が合わさったような「波」のような干渉縞が現れます。しかし、この不思議な遷移をスリットを覗き込んで捉えようとすると、干渉縞は見えなくなります。
この論争においてアインシュタインの主な敵対者であったニールス・ボーアは、この結果を相補性と呼びました。これは、量子系の相補的な性質を同時に測定することは不可能であるという考えです。しかしアインシュタインは、バネで固定された紙のように薄いスリットに光を当てると、個々の光子が粒子のようにバネを揺らすだろうと推測しました。こうすることで、光の二重性を実際に捉えることができるのです。
この仮説を検証するため、MITの研究チームは実験装置を原子1個単位のスケールにまで縮小し、マイクロケルビン（1ケルビンは華氏-460度、摂氏-272度に相当）まで冷却した。レーザーを用いて1万個以上の原子を結晶のような整然とした構造に整列させた。この高度に制御された環境により、研究者たちは各原子の「曖昧さ」、つまりその位置の確実性を調整することが可能になった。簡単に言えば、原子の曖昧さが増すほど、通過する光子が粒子のような挙動を示す確率が高まるということだ。
「これらの単一原子は、作れる限りの最小のスリットのようなものだ」と、研究の主任著者であるヴォルフガング・ケッテルレ氏はMITニュースに説明した。2001年のノーベル賞受賞者であるケッテルレ氏と彼のチームは、原子の「スリット」に光子を繰り返し照射することで、原子のスリットで散乱した光子の回折パターンを記録することに成功した。
彼らが発見したのは、予想通りボーアの考えが正しかったということだ。個々の光子の進路を拡大すればするほど、回折パターンは弱くなり、光を波と粒子の両方として同時に観測することはできないことが確認された。彼らはまた、原子を所定の位置に保持しているレーザー（彼らの装置の「バネ」）をオフにすることも試みた。それでも、波のような干渉パターンを乱さずに光子の進路を追跡することは不可能だった。
「多くの記述において、バネは重要な役割を果たします。しかし、私たちは、バネはここでは重要ではないことを示しています。重要なのは原子の曖昧さだけです」と、研究の筆頭著者であるヴィタリー・フェドセーエフ氏はMITニュースに説明した。「したがって、光子と原子間の量子相関を用いた、より深遠な記述（ボーアの相補性など）を用いる必要があるのです。」
アインシュタインは量子物理学を嫌っていると非難されることがあります。これは必ずしも真実ではありません。アインシュタインは量子理論、特にランダム性への過度の依存に関して、さらなる研究が必要だと考えていましたが、その妥当性を完全に否定したことはありません。物理学者マックス・ボルンに宛てた有名な手紙の中で彼が書いたように、量子力学は「確かに威圧的」ですが、彼の直感では「まだ本物ではない…[神は]サイコロを振っていない」のです。
アインシュタインは量子力学について多くの疑問を抱いており、その多くは未だに解明されていません。そして、アインシュタインとボーアの論争、そしてMITの新たな発見が示すように、物理学者が当然のことと考えているものに対する彼の厳密かつ挑発的な挑戦は、量子力学の奇妙で矛盾に満ちた世界に対する私たちの理解をますます深め続けています。
