光とは何でしょう

最近、オリオン座のペテルギウスが超新星爆発を起こして消えてしまうのではないか・・・という話題に触れた方も多いと思いますが、消えるのは私達が生きている間のことではなさそうだというので、少し安心しましたが、オリオン座のかたちがどうなるのか気になるよりも、何百年もかかってそこで発した光が地球に届いているのに驚きます。

 

光って、なに?

光は、波であるという考え方と粒子であるという考え方があることはご存知と思います。

 

母なる海のイメージ

その考え方はそれぞれ、「波動説と粒子説」などで説明されますが、現在では、それらが両方になった「粒子性のある波」という感じで理解しておくのがいいと言われています。

 

つまり、光は、レンズで像を結ぶのは波の性質の感じがしますし、重力で曲げられる「重力レンズ」などでは粒子のようなところがあるというものです。

ここではまず、光についてのそれがどんなものかを考えるための歴史的な発見過程を紹介します。

 

光 は何か?

①歴史的に見たそのとらえ方では、アイザック・ニュートン(1642~1727年)は、プリズムで光が7色に分光されるということから、光はいろいろな色の粒子の塊であり、何かに当たると固有の振動をして色を発する・・・という考えでした。

 

また、フックの法則で有名なロバート・フック(1635~1703年)も、回折や干渉という性質があることから、光は波だという考え方でした。

 

②その後に、古典電磁気学を大成したジェームス・クラーク・マックスウェル(1831~1879年)等は、光は電磁波であるという考え方があって、電磁波の伝わる速度と光の速度が等しいということがわかってきたことで、「電磁波≒光」というようにまでなりました。【波動説】

 

③ところが、物体を熱するといろんな波長の電磁波(=光)が出てくることから、光は「エネルギー量子(光量子)」という考え方をしたマックス・プランクは、光(光量子)は振動数に比例するエネルギーを持っているとしてこれを説明したことで、1918年にノーベル賞を受賞しています。

 

紫外線に当たると皮膚が炎症を起こしますが、これは、可視光線よりも振動数が高いのでその粒子が持つ大きなエネルギーで皮膚を破壊する・・・と説明されます。【量子説】

 

この辺りまでの考え方では、量子という粒子のようなものが振動しているという感じですね。

④1890年ごろに、光電現象といって、金属に光を当てると電子が飛び出す現象が発見されたのですが、そのエネルギーは光の強さと関係なく光の量に依存しないことや、振動数の高い光を当てていくと、金属から電子が飛び出すのは、金属の種類も関係しますし、ある振動数までは全く電子が飛び出さない・・・という現象がわかってきました。

 

これはマックスウェルの電磁理論では、光の強さによって電子が飛びだすという考えのために、この現象をうまく説明できませんでした。

 

⑤それを、アルベルト・アインシュタイン(1879~1955年)は光を粒子と考えることでそれを説明できるとして【光量子説】を提唱しました。

 

アインシュタインは・・・

光がエネルギーを持った粒子であれば、原子内の電子と衝突した瞬間に電子が弾き飛ばされるし、電子は原子に拘束されている(原子の周りに電子がある)とすれば、それを切り離すためのエネルギーを与えればいいはずなので、それによって、おのずからその存在はわかるはずだ・・・とアインシュタインは主張しています。(しかし、現実的には、不確定性原理などで説明される量子論と、アインシュタインの考え方は一致していません)

 

この光電効果については、アインシュタインが1905年にプランクの光量子仮説を当てはめて説明することによって、1921年にノーベル賞を受賞しているのですが、同じ1905年には特殊相対性理論発表しています。(相対性理論でノーベル賞をとったのではありません)

 

この相対性理論のほうはノーベル賞を受けていないのは不思議な感じがするのですが、このすごい考え方があまり突拍子で理解されるのに時間がかかったのか、彼の受けが悪かったのか、(すぐには検証・実証されなかったことが真相でしょうが)何かの理由があったのでしょう。

 

⑥1923年にアメリカのアーサー・コンプトン(1892~1962年)は、X線を原子に衝突させると、エネルギーを失ってそのX線が振動数が減って電子が飛び出すという「コンプトン散乱」によって、アインシュタインの光量子説を立証しました。【光量子説】

 

⑦その後フランスのド・ブロイ(1892~1987年)が、粒子である電子も波動性を持つとして、「物質波」という考え方をしており、電子の運動が激しくなるとその波長は短くなるとする「電子の波動性」を発見して1929年にノーベル賞を受けています。

 

⑧また、ベル研究所のデビットソンなどが金属箔に電子ビームを照射すると回折が見られることを発見しています。

 

このようなことから、光や電子は波動性と粒子性の両方の性質を持っているというのが現在の考え方です。