物理理科

「波動性」と「粒子性」その不思議な振る舞いを理系ライターが解説

よぉ、桜木健二だ。光や物質の波動性と粒子性について解説していこう。
このあたりから現代物理が花開くのだが、この不思議な物語で物理が面白いものとして感じられるはずだ。

今日も物理系ライターのタッケさんと解説するぞ。

解説/桜木建二

「ドラゴン桜」主人公の桜木建二。物語内では落ちこぼれ高校・龍山高校を進学校に立て直した手腕を持つ。学生から社会人まで幅広く、学びのナビゲート役を務める。

ライター/eastflower

物理学全般に興味をもつ理系ライター。理学の博士号を持つ。専門は物性物理関係。高校で物理を教えていたという一面も持つ。1900年くらいから現代物理学は急速に発展し、古典力学を修正してきた。この勢いで発展したら100年度はどうなっているのか。

古典論争 光は波か粒子か

image by iStockphoto

光は波か粒子か?
この問題については過去多くの論争がありました。

17世紀中頃、光を小さな穴から暗闇に投影すると同心円状の模様を生じることがわかっていました。この理由について、ホイヘンスは水面に生じる波の模様と同じ様な現象が起こっていると考えて光は波であるとしたのです。(当時はまだこれが回折・干渉という考えには至っていません)

また、ホイヘンスは素元波という概念を用いて波の屈折・反射の現象をうまく説明できました。これにより光は波であると考えたのです。

しかし、われわれの日常経験に照らしてみれば、波が伝わるためには波を伝える物質が必要なことはおわかりですね。たとえば、音波が伝わるためには空気という媒体が必要です。他にも、鉄や水などの液体・固体も音波を伝えることができます。

また、一般に波の伝わる速さは固いものほど速いのです。
例えば、音波の場合を以下に示します。
 空気中  約 340m/s
 水中   約1500m/s
 鉄固体中 約6000m/s

太陽から地球間は真空です。そこで、真空中を光が伝わるためには真空といえども波を伝える物質が必要と考えられたのです

光の速さはとても早いので、真空の空間には鋼鉄よりも固い物質が存在するのだと考える人もいました。この物質はエーテルといわれ、光に対してだけ鋼鉄の固さを持つが他の物質に対しては無抵抗であるという都合の良いものでした。

後にこのエーテル説は実験により否定されることになります。

ニュートンの粒子説

さて、ホイヘンスの波動説に対してニュートンは光の粒子説を考えていました。光が例えばガラスとか水に差し込むと屈折しますね。ニュートンはこの現象を彼らしく万有引力の法則を使って説明できると考えました。

ニュートンはどういう風に説明したでしょうか?図を見てください。

image by Study-Z編集部

ニュートンは光が粒子でありガラスなどとの物質と、万有引力によりひきつけられると説明したのです。そのため、ガラスの方向への光の速さが大きくなり、その結果曲がると考えました。

この考えでは、光速は物質中のほうが大きくなることに注意してください。

ホイヘンスの波動説

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一方、前述したようにホイヘンスは光の波動説を唱えていました。

ホイヘンスはもし光が粒子であるなら光を衝突させると何がしかの影響が出るはずだと考えたのです。しかし、光を対向させても、お互い見る光に普通は影響はありませんよね。

波には独立性があるため、光が波であるなら光が対向してもうまく説明できます。そのため、ホイヘンスは光の波動説を唱えたのです。

その後この論争に決着がつくのはヤングによる実験を待たなければなりません。
1805年、トマス・ヤングは「ヤングの実験」といわれる実験を行い。波特有の現象とされる「回折・干渉」を光が起こすことを示したのです。

また、その後実験技術がすすみ、物質中の光速が精密に測定されました。その結果、いかなる物質中の光速も真空より必ず遅くなることが示されたのです。

ニュートンの万有引力の説明では、粒子である光は万有引力を受けて加速するので、物質中では真空中よりも速くなければなりません。というわけで、説明に矛盾が生じニュートンの粒子説は駆逐されることになりました。

これらにより、光の波動説が優勢となりました。しかし、話はこれで終わらないところが面白いところです。

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ふむ

光の粒子説と波動説の対立は100年近く続いたんだ。ホイヘンスの勝利だったんだな。
ここでおさらいしておく。回折・干渉という現象は波特有の現象であることを忘れるな!

しかし、話はこれで終わらなかったんだな?
いったいどうなったのか次から見ていこう!

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