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実験は「記憶能力についての調査（罰と学習能力に関する調査）」という名目で、一般人が被験者として集められたが、その本当の研究目的は「人間の権威への服従性」また「人間はどの段階まで権威者の命令を聞き続けるのか」というものであった。

・前提条件

この実験における被験者は新聞広告を通じて、「記憶に関する実験」に関する参加者として20歳から50歳の男性を対象として募集され、一時間の実験に対し報酬を約束された上でイェール大学に集められた。被験者の教育背景は小学校中退者から博士号保持者までと変化に富んでいた。

被験者は、一人ずつ役者が演じる「もう一人の参加者」とペアを組み、実験者によって二人は学習における罰の効果の実験に参加するのだと告げられ、あたかも被験者ともう一人の参加者がくじ引きで、偶然に「生徒役」と「教師役」に分けられたかの様に分類された。

尚、被験者は必ず「教師役」を務める様に仕組まれ、被験者には「生徒役」を務めるもう一人の参加者が、「役者」だとは知らされていない。

・実験の内容

被験者には、生徒役を勤めるもう一人の参加者が受けるであろう、45ボルトの電気ショックを「体験」と称して流されており、電流による痛みを体験させられている。その後、教師役を務める被験者と生徒役は別々の部屋に分けられ、お互いの声のみインターフォンを通じて聞こえる状況下に置かれる。

実験は次のような手順で行われた。まず生徒役(A)と教師役(S)はそれぞれ別々の部屋に入り、教師役(S)が生徒役(A)に対して簡単な単語テストを行う。そして生徒役(A)が正解すれば罰はなく、間違えた場合、教師役(S)は手元にあるボタンを押さなければならない。すると生徒役(A)の人には罰として電流が流れるという仕組みである。

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(図：(E)=研究者／(S)=教師役[被験者]／(A)=生徒役[役者])

ここで教師役は、対になる二つの単語のリストを読み上げ、その後、対になる単語の一方のみを読み上げる。その単語に対する答えを４択で出し、生徒役は1から4のボタンのうち、答えと信ずる番号を押す。
教師役は、生徒役が間違えると相手に電流を流し、一問間違えるごとに15ボルトずつ、電流の強さを上げていく。生徒役が正解すると、教師役は次の単語ペアに移る。

ここで、教師役の被験者は、実際に生徒役に電流が流されていると信じ込ま
されるが、実際には電流は流されていない。教師役がボタンを押す度、生徒役の部屋からは事前に録音された「うめき声」のテープが流されただけだった。

電流がある程度以上の強さを超えると、生徒役は机や壁を叩き、教師役に向かって心臓の不調や部屋から出すように訴える。電流がもっと強くなると、生徒役は何の応答もしなくなる。
この時点で、多くの被験者は実験の中止を実験者に申し入れ、ほとんどの被験者が135ボルトの時点で、実験の継続を拒否した。生徒のうめき声は問題を間違える度＝電圧が上がる度に、次のようにエスカ
レートする。

120V→大声で苦痛を訴える
135V→うめき声
150V→絶叫
300V→壁を叩いて実験中止を求める
315V→強硬な態度で実験を降りると叫ぶ
330V→無反応になる　

被験者が実験の続行を拒否しようとする意思を示した場合、管理者から以下の順で実験を続けることを促す通告がなされた。

１．実験を続けてください。
２．実験のために、あなたが続けることが必要です。
３．あなたが実験を続けることが、絶対に不可欠です。
４．迷うことはありません。続けるべきです。

四度目の通告がなされた後も、依然として被験者が実験の中止を希望した場合、その時点で実験は中止された。さもなくば、最大ボルト数として設定されていた450ボルトの電流が三度続けて流されるまで実験は続けられた。

・実験の結果

この時点で、多くの被験者は実験の中止を実験者に申し入れ、ほとんどの被験者が135ボルトの時点で、実験の継続を拒否した。

実際の実験結果は、被験者40人中25人が（統計上65％にあたる）、用意されていた最大ボルト数である450ボルトまでも（拒否の意を表しつつも）スイッチを入れた、というものだった。

すべての被験者は、途中で実験を止めたり実験に疑問を抱いたりし、中には「この実験のために自分たちに支払われている金額を全額返金してもいい」という意思を表明した者もいた。300ボルトに達する前に実験の中止を希望する者は一人もいなかった。

その後、ミルグラム博士自身、そして世界中の研究所で幾度か行われたが、やはり結果はほぼ同様であったと言われている。またその結果は、後にベトナム戦争における米軍の虐殺事件（ソンミの虐殺）の研究にも援用された。

実験者に対して、実験の目的や意義に対して疑問を呈する者もいたが、何人かの被験者は実験者の要請に従って、最後まで電流を流し続けた。

中には、電流を流した後、生徒役の被験者の絶叫が響き渡ると、緊張の余り引きつった笑い声を出すものもいた。

被験者の40人中25人が、用意されていた最大ボルト数である450Vまでも（拒否の意を表しつつも）スイッチを入れた。