光は「粒子」であるとともに「波」であることは、今では誰もが知っているのですが、それをわかりやすく説明してほしいといわれても意外に難しいことです。
私が小学生のときには、光とは「可視光線」のことでした。
次に「光は波」… と教えられ、中学生になって、波の合成や回折とともに、光は粒子の性質を持っているということを教わり、その後に、光は電磁波の一種であることなどの内容を学びました。
つまり、簡単に「光」というものをやさしく説明するのは難しいというこのなのでしょう。
波動説と粒子説
1960～70年台には、現在のような、素粒子やその性質などについての理論は出揃っていました。
だから、光についての正しい説明はされていても良かったのですが、その挙動などが現実離れしすぎていることもあったのでしょうか。
当時は、教える先生たちも、充分噛み砕いて理解することができなかったこともあったのか、十分な説明をしてもらえなかったような気もします。
（私もそうですが）波動、粒子、量子、量子場、場の量子論、素粒子 … などが、どこでどうつながっているのかや、それらの関係がどうなっているのかもわかりにくいと思います。
ここでは、私が理解する範囲で、光というものを頭の中でイメージできるように紹介していきたいと思います。
今の小学生なら、「光は電磁波の1種で、電磁波の一部が、人間の目に感じる可視光線で、さらに、波長の短い電磁波の紫外線は、強いエネルギーを持ち、それを浴びると、何かが身体に作用する」というような内容で学んでいるでしょう。
そして、「波と粒子の2重性」についても、教え方は別にしても、何らかのことは教えられているのでしょう。
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でも、光は粒子であるけれども、「物質（もの）」なのか … という点になると、難しい説明になります。
まず、光の性質とこのあたりの考え方を歴史の順に簡単に見てみましょう。
光の粒子説、波動説の歴史
1700年頃～1800年初頭に、光の粒子説と波動説が別れて提唱されてきました。
この年代では、おおよそは、光＝可視光線 と考えられていたのでしょう。
ホイヘンス（1629年－1695年）は、光は、回り込む（回折）し、ぶつかると交差して強め合ったり弱め合う性質（干渉）があることから、光＝「波」 である … と考えていました。
しかし、物理学の大御所のニュートン（1642年-1727年）は、違いました。
光は直進するし、反射するし、プリズムで分光するし、そして、真空中などの間に、伝える何かのもの（＝媒質）がなくても、光が伝わることから、「光＝粒子」と考えていました。
そして、1860年以降から1900年初頭には、ようやく、光は電磁波の1種であるということもわかってきていました。
可視光線は特定の周波数をもつ電磁波だということや、それが、粒子の性格も持っていることも次第にわかってきます。
マックスウェル（1831年-1879年）やヘルツ（1857年－1894年）は、光は媒質がなくても伝わり、光が伝わる速度と電磁波の速度は等しいので、光＝電磁波 であるとしていました。
そして、ハルヴァックス（1859年－1922年）は、紫外線を亜鉛板に当てると、表面から電子が飛び出すことを発見しています。
この時、飛び出す量が紫外線の強度に依存しないし、短波長のほうが多く飛び出すということから、彼は、光＝粒子 のようなものと考えていました。
そして、とどめは、アインシュタイン（1879年－1955年）で、光にはエネルギーがあるとして、「光量子仮説」を考え、1921年にノーベル賞を授与されました。
すなわち、「光は振動する粒子」であるという考え方です。
アインシュタインの有名なこの式は、質量（物質）とエネルギーはいずれも同じようなもの だということを表しており、そこに光が関係していることが示されています。
そうして、ここから、「光=光子という、粒子の一種」という量子論が発展してくるようになるのです。
しかし、当のアインシュタインはこの世を去るまで、確率で表現するということが基本になっている「量子論」を受け入れなかったという話は有名です。
でも、現在では、この量子論がなければ、いろいろな現象が説明できないとされていますし、それを利用して、すでに多くの製品の実用化に貢献しています。
この量子論は、たしかに、感覚的に捉えにくいので、アインシュタインは、なんとか自説で切り抜けたかったのでしょう。
もちろんそれができないままにアインシュタインは他界したのですが、でも、自然はそんなに単純に説明できるようなものでは無いようです。
現在に至っても、相対論や量子論だけでは、自然界の現象を説明できないという状態で、それぞれの理論には、矛盾点が含まれていて、自然現象を正しく説明できない状況が続いていると言われています。
アインシュタインなどの考えていることと並行して、1897年に電子が発見され、1911年に原子核が発見されており、原子にも内部構造があることがわかってきます。
いわゆる、原子構造がわかってきます。
そして、1919年に「陽子」が、1932年には「中性子」が発見され、原子核が陽子と中性子によってできていることがわかってきます。
さらに、それらを結びつけている「もの」がある … という、素粒子を含めた原子の構成などの微細な世界が、次第に明らかになってくるようになります。
この「原子の中のミクロの探求」は現在も続いています。
素粒子の一つが「光子」ですし、その反対のマクロ側には、光を中心にした、とてつもなく巨大な「宇宙」の探求が現在も進んでいます。
宇宙の探求には「光」は重要な道具ですから・・・。
この光の性質を用いると、宇宙などの大サイズの現象をよく説明できる考え方が「相対論」です。
しかし、その反面の「微小な世界」が表現できないことがあって、このミクロの探求で、一気に量子論（量子物理学）が進んでいくことになります。
量子論で考えた「光」は
黒体放射のエネルギー分布の例（WEBより参照）
1900年にマックス・プランク等は、黒体放射のエネルギー分布から、黒体放射は「量子化された物質の持つ性質で、光そのものの性質ではない」としました。
そして、アインシュタインも、「光は特定のエネルギーしか持てない、波でも粒子でもない どちらかの性質を持つ「光量子」と考えるべきだ」という考え方をしています。
1924年にド・ブロイは、すべての物質（素粒子）は、波動的性質を示すことや、逆に、波も粒子の性質があるとする「物質波の理論」を提唱しました。
さらに、1925年には、ヴェルナー・ハイゼンベルク、マックス・ボルン、パスクアル・ヨルダン等がそれを定型化して行列式であらわしました。
そして、シュレディンガーは、波動力学とシュレディンガー方程式によって、物質の持つ運動量や位置を表す方法を示し、波の性質として説明されてきた「干渉縞」を量子論で説明しました。
また、ボーアとハイデルベルクは「コペンハーゲン解釈」と言われる量子の状態の考え方から、「量子の状態は重ね合わせで表現でき、どんな状態にあるかが決まらない（不確定性）こと、そして、その状態を観測すると、観測に対応した状態に変化してしまうこと、さらに、その状態は、確率密度として表現されること」などの量子的な性質を明らかにしました。
これらの量子に対する考え方によると、もはや、「ここに量子が存在する」ということがわかっても、量子自体は、それを特定できない「幽霊のような存在」だというのです。
その後1927年頃に、ディラックによって、その量子力学と特殊相対性理論（光の速さは一定で、すべての慣性系における物理法則は同形でなければならない）が統合されて、素粒子論としては、今日の基盤が出来上がってきています。
そして、量子的な考え方による応用利用も進んでいます。
これら、幽霊のような挙動を示す「素粒子」ですが、この考え方によって、現在では、原子時計や顕微鏡分野など、いろいろな分野で応用・実用化されています。
ただ、相対論が微小な世界を表現できないことと同様に、量子論では、大きな宇宙などを解明することができていないという、それぞれの理論ですべての状況を説明できない部分が現在でも残っている状態だといいます。
そのこともあって、足りない部分を補填するために、さらに色々な考え方（仮説）が乱立しているというのが現状のようです。
さて、改めて「光とは」
【性質的には】
光の性質は、波であるという波動説で考えると、太陽の光や星からの光でも、プリズムで分光すると周波数があり、波長がある電磁波なので「波」の性質でほとんど「光の性質」が説明できます。
そして、光電効果や重力レンズ（星から来る光が、大きな重力を受けると曲げられる現象）などを見ると、光が粒子の性質を持っていることが説明されます。
さらに素粒子論では、光は「光子」という素粒子で、電磁相互作用を媒介するガンマ線として、いろいろな状況が説明できます。
つまり、これらで説明されるというのが「光」だということです。
光は、反射吸収などによって減衰し、消えてしまう感じを持っているのですが、宇宙全体を考えると、現在解明されていない「見えない物質（ダークマターやダークエネルギー）」の中をすり抜けてきます。
つまり、それらとは相互作用をしないもの … のようですから、これもまた不思議なものです。
現在のビッグバン理論では、超高温の宇宙ができて、38万年経った時にようやく、宇宙全体が電離しているプラズマ状態でなくなりました。
その時点で、ようやく、光（電磁波）がまっすぐ進める状態になった … とされています。
宇宙の歴史は、その「宇宙が晴れた」以降の状態しか見えていないと表現されているのは、この理由のためです。
この痕跡が「宇宙の背景放射」と呼ばれるもので、ごく低温の電磁波が、全天方向から観測される事実から「宇宙」というものが発見されました。
そして、さらにその宇宙の大きさなどが、光の性質を調べることでわかるようになってきました。
波動のエネルギー（のようなもの）は、時空の広がることで「ドップラー効果」によって、その波長が極端に伸ばされことから、遠くの星の距離がわかります。
しかし、宇宙には、138億年にわたって、光が飛び交っているのですが、その長い時を経ても、その光が消えてしまわないのも大変不思議ですね。
光の発生光（光子）はいろいろな状態で発生します
発熱に伴う発光だけでなく、電荷の加速でシンクロトロン放射光 （光速近くまで加速された光が磁石で曲げられたときに出る電磁波（光））を発します。
また、分子・原子の遷移が低エネルギー順位になるときや、粒子と反粒子が衝突して対消滅する時にも光が出ます。
これは、粒子とも言えるし、ある種の反粒子とも言えるような感じですね。
光子は質量がない
その光子が光速で進むためには「質量がない」ということになっています。（→こちら）
しかしこれについても、厳密的には疑問が残っているようですが、現在では、質量ゼロとして取り扱って問題がない … という考え方が主流のようです。
このようなことから総合すると、結局、光は物質の一部で発生した電磁波で、それは、電気力や電磁力を媒介する素粒子でもあるということです。
ここまで「光」の話題をみてきましたが、結局、光について言及できていません。
結局、その周波数の特定の範囲の電磁波が可視光として人間やその他の生物に知覚されているという程度のあいまいな答えになってしまいそうなのですが、このように、ここまでかかっても結局は大した説明しかできなかったようです。（笑）
口直しに、すこしロマンチックな話題を …
宇宙からの光が全天に満ちていないのは
星は無数に輝いており、それが全天にわたって輝いているのに、夜空を見上げると、小さな点の星しか見えません。
夜空が一面に明るくならないのはなぜでしょう。
・・・これは「オルバースのパラドックス」と言われるものです。
これを言い換えれば、「すごい数の星が輝いていると、全天が明るく輝くはずだ・・・」というものですが、そうなっていないのはなぜでしょう・・・。？？？
この答えは、いろいろ考えられています。
その中で、我々シロウトが最も理解しやすそうな説明は、
「星が照らす以上に宇宙は大きい」という説明がぴったりな感じがします。
宇宙は膨張しているという考え方が主流になっています。
その膨張は「空間（時空）の膨張」で、それは光の速さの制限を受けないために、光速以上に宇宙（空間）の膨張が可能というのです。
だから、そうなれば、いつまでたっても、光が追いつけません。
だから、星のない部分は真っ暗 … ということです。
こう書いていても、それを頭に描いてイメージするのは一般人では難しいなぁ … と思っています。
さらに、宇宙のロマンを感じてみましょう
宇宙はビッグバンで誕生し、膨張により次第に温度が下がって、開闢38万年後には、光（＝電磁波）が分離されて、そのときの光が地球に届くことによって、138億年前ごろからの宇宙が見えているといいます。
したがって、それ以前の宇宙は調べられていません。
そして、遠く離れた初期の宇宙の部分（宇宙の果て）は、空間の広がりも加わって、現在も、地球からものすごいスピードで広がって遠ざかっている … といいます。
空間が広がると、その分、遠くの星から地球への光の到達はさらに遅れます。
届かないかもしれません。
そして、さらに公表されている宇宙の大きさについても、新しい探査機のデータが出るたびにその数字は大きくなってきていますね。
今は、138億光年＋α とも言われています。
調べていくほどに宇宙の大きさは膨らんでいきそうですが、いずれにしても、わからない程、遠いところまで宇宙が広がっているのです。
そしてもちろん、たとえ、その大きさがわかっても、人はそこに行くことはできません。
138億年（時間）経った宇宙の大きさは、780億光年（距離）以上だ … という数字も目にします。
人生100年時代になって、人間もすごいのですが、宇宙のレベルはすごいというレベルではイメージできないほどに「すごい」ようです。
そんな広い宇宙には、たくさんの星や物質があるのですが、現在の測定では、宇宙を構成する物質の5％程度が星や銀河などの「実態のあるもの」ということしかわかっていません。
それ以外は、ほとんどが、それが何なのか、全く正体がわからないブラックマターやブラックエネルギーだといいます。
何なのかはわかっていません。
現在のところ、光は質量がないとされているので、科学者は、宇宙を構成する未知の物質が何なのかを探っている状態です。
光の振動や速度が、エネルギーや質量などと等価と考えれば、真空などの何もないようなところから、何かのエネルギー変換によって、「何もないとされていたもの」が宇宙を形作る物質だと言われないとも限りません。
この「真空の持つエネルギー」が見えない物質だという考え方は、かなり支持されているようです。
大きな側に位置する「宇宙」もそうですが、その反対の「極微（ミクロ）」の世界も、量子論や原子物理学によって、この100年程度の間で急速にわかってきたという状況です。
さらにさらに … 「わからないことだらけであるというのが分かってきている状態」にあるといえるのかもしれません。
宇宙全体は「未知」で満ち満ちている … というダジャレもいいたくなるぐらい、わからないことだらけですが、今回は多くの物理理論のもとになっている「光」を取り上げました。
光は波であり粒子の性質を併せ持っているという内容でしたが、ここで、上に掲載した海の波の写真を再掲します。
この波の見方も、いままでと変わっていませんか？
聖書には、神様が「光あれ」と言ったら、光が出て来た … と書いてあるようです。
ふと立ち止まって、身近に光を見つめる機会があれば、ぜひ思いを巡らせていただければ幸いです。
（来歴）R5.2月に誤字脱字を見直し R8年4月に見直し
