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光は物理の宝箱

空に浮かぶ虹はなぜ7色なのだろうか??

空はなぜ青いのか??

夕焼けはなぜ赤いのか??

雲はなぜ白いのか??

目に見える光の世界

 

クリスマスの青いイルミネーションに使われている青色LED

あれは日本人物理学者によるノーベル賞の発明だ!

 

もうちょっといって

通信に欠かせない携帯の電波

人体に有害と言われる放射線

病院の検査などでで使うX線

日焼けの原因紫外線

あたたかいストープの赤外線

お弁当づくりに欠かせない電子レンジ

 

色として見えるものも見えないものも含めすべてが光

違うのは周波数のみ

GHz(ギガヘルツ)とかそういう単位であらわされるやつ

光というのは波である
大縄とかがうねうねーーーとしているものを思い浮かべてもらうといい

ちなみに色が見える
可視光線というやつは1014Hzくらい

1秒間に100000000000000回振動している

 

その振動数が変わるだけで
人体にとって有害にもなり、有益にもなる

という不思議な存在

 

光というともういっこ特徴がある

光の速さというのがこの世界で最も速いというルールだ

光の速さは秒速 300000000m

 

とぅーん
とぅーん
地球1周りは4万km(40000000m)なので

1秒間に地球を7回半回ることができる

 

そしてこんな不思議な存在である光は

物理学において発展に大きく寄与してきた

 

現代物理の2大柱が

相対性理論と量子力学といわれている

この2つの理論のなりたいには光がいる

 

現代物理の柱となる物理は1900年代に確立された

そのちょっと前1800年代に確立されたのが電磁気学

とぅーん
とぅーん
電磁気学、相対性理論、量子力学と光の関係をざっくりとご紹介!
こんな方におすすめ

光と物理の関係に興味あり

好奇心旺盛

めちゃくちゃざっくり相対性理論と量子力学の歴史を知りたい

 

電磁波と光

現代の生活になくてはいけない電気

それらの性質が物理法則にまとめられていったのが1800年代

ちなみに電池が発明されたのは1800年
イタリアのボルタが発明した
その名前から電圧の単位がボルト(V)となっている

 

電気が世の中の役に立つとは考えられていなかった時代にも

プラスとマイナスが引き合い、プラス同士マイナス同士が離れる
電気という不思議な存在は科学者たちを魅了した

 

そんな電気の法則を見つけていく中で
電気が磁気を生み出すということがわかってきた

ぐるぐる巻にした電線に電気を流すと磁石になる

 

電気→磁気がつくれるだけでなく

磁気→電気がつくれることもわかってきた

磁気→電気の変換はモーターの仕組みにもわかっている

 

これらの電気と磁気の法則をまとめたのが

イギリスの物理学者、ジョージ・クラーク・マクスウェル

そして彼がまとめた、法則の式が

とぅーん
とぅーん
ワーーーーーウ

イッツビューティフォー

とはならず
「なんじゃこれっ」!てかんじだがEやDやρやjが電気、HやBが磁気を表す

「なんだよあの△と6ひっくりかえしたみたいなやつ!!」

と思ってもらえばそれで十分

 

そして、あの法則をうねうねすると

電磁波というものの存在が予想できる

そしてなんと

その電磁波の速度が、光と一緒!

ということがわかってしまった

とぅーん
とぅーん
電磁気学において、電気と磁気が統一され
さらにはここで、電磁波と光が統一された

 

マクスウェル方程式からおよそ20年後に
ヘルツによって
実験的に電磁波の存在が確認された

この功績をたたえて、光の周波数の単位はヘルツとなっている

 

電気と磁気の法則が統一され、結びついた時

電磁波と光も結びついた

相対性理論と光

相対性理論

名前はみんな聞いたことがある

ついでにいうと

E=mc2

という式も知っているだろうが、これは相対性理論から導かれるものの
ほんのほんの一部

 

それはよいとして

1905年、かの有名アカンベー物理学者アインシュタインは

ノーベル賞級の3つの成果をあげた

  • ブラウン運動の研究
  • 光電効果
  • 特殊相対性理論

 

3つあげたが今回話せるのは特殊相対性理論だけ
(特殊相対性理論は、当時の科学者にとっても難しく、評価できなかったため
光電効果の研究でノーベル賞をもらっている)

 

相対性理論は実は
特殊相対性理論、と、一般相対性理論
がある

 

そんな特殊相対性理論はどうやって組み立てられた理論なのか!

アインシュタインがおいた1つの過程が

光速度不変

光の速度は、誰がみても不変だ!

というのだ

 

本来電車にのっていて新幹線を見るのと
駅のホームで新幹線を見るのでは

見た目上の速度が変わってくる

ただ、光はそうはならないというのだ

なぜこう考えたのか?

こう考えるしかなかったからだ

 

マイケルソン・モーリーの実験といわれる実験で
地球の自転方向に平行な方向と、垂直な方向で光の速度を測定した

 

 

自転している方向(地球という電車の進行方向)
と同じ方向に走る光と
垂直に走る光とでは

速度が異なるはず!!

光はめっちゃ速いので
その差を測定するには細心の注意が必要なわけだが
どう考えても、この両者に差がないという結果がでていた

 

おかしい
なぜだ?

 

こんなとき、物理学者が取る態度は

実験結果こそがすべて

この実験結果を説明できる法則をつくりあげないといけない
それには、先程紹介したマクスウェル方程式ではダメだった

なのでアインシュタインは

光速度不変の原則
というものをおいて、特殊相対性理論をつくった

 

なぜ、光の速度が不変なのか?

これに対する答えはない

あるとすれば、自然がそうなっていたから

 

ただ、この光の速度が不変だという過程をおいて作り上げた特殊相対性理論は

実に正確に、光の速度並の速さで動く物体の運動を表す

 

ニュートンやガリレオ、そして私達にとっては
時間や空間というのは絶対的なもの

空間が動けば、見えるものも変わる

でも、そうではなく、変わらないものは「光の速度」だとした相対性理論では
絶対的な空間もなければ時間もない

空間も時間も伸び縮みする

光の速度で動けばタイムスリップできるとかいわれる

こんなわけのわからない理論を
たったひとりでつくりあげてしまったというのがアインシュタイン

そして、その10年後には一般相対性理論を発表する

人工衛星の軌道の計算にも欠かせない理論となっている

 

そんなアインシュタインがうけいれなかったのが

量子力学

その量子力学のスタートにも光がいた!

光の速度は不変、ということを認めた上で出来上がったのが相対性理論

光がなぜ、それほど特別なのか、その理由はわからない

量子力学と光

とぅーん
とぅーん
ちょっとこの章はかなり駆け足になるが

ご容赦いただきたい!

最初に触れたように

光にとって、その性質をきめているのは振動数

その振動数が大きいほどエネルギーが高い

放射線とかは振動数が大きくてエネルギーが高く
通信電波は振動数が小さく、エネルギーも小さい

赤外線は無害(エネルギー小)だが
紫外線は有害(エネルギー大)

可視光であれば
赤が一番エネルギー(小)で、青がエネルギー(大)

光の温度や炎の温度は
赤より青のが高いというのはここらへんが関係している

 

ただ、そうなると
もし光を発する物体があったとする

そいつのエネルギーがおおきくなればなるほど(温度が高くなればなるほど)
単純にそれに比例して、光のエネルギーも上がっていく!

と考えるのが自然であるのだが
実験結果はそうはなっていない

そこでそれを説明するためにプランクという科学者が
エネルギーが量子化していると考えた

数字の世界で考えれば
エネルギー1と2の間には本来は1.1も1.111も1.99999999999もあるはずだが
そうではなくて、とびとびの値しかとらない
エネルギーの最小単位がある

という理論

光の不思議な現象から導かれた
とびとびの値しかもたない、という説が

量子力学という現代物理の、基礎となっている考え方

 

 

量子力学と光の関係ではもう1つ見逃せない話がある

それが粒子と波動の2重性

 

粒子、というのはビー玉のようなものをイメージしてもらえばよくて広がりのないもの
壁にぶつかったらその先には伝わらない

一方、波は広がりがあり、壁をすりぬける
また重なって強め合ったり弱め合ったりする

ガリレオやニュートンの時代から
光は波だ、粒子だという議論が散々繰り返されてきた

それくらい、波の性質と、粒子の性質は相容れないものだったから

ただ、一方で、相容れないもののはずなのに
どっちかわかっていない程度には、不思議な関係だった

 

そして最終的に
光は粒子としての性質も、波としての性質も持つ

ということを実験で証明された

 

光は基本的には波だと思われているのだが

こおでアインシュタインがノーベル賞を受賞した実験のほうに戻って
光電効果というものがあったのを思い出してほしい

この実験がまさに、
光が粒子性を持つこと示した研究

 

 

 

一方、粒子だと思われていた電子が
波の性質を持つこと示したのが

二重スリッドの実験

世界で最も美しい実験とも言われている

ちょっとこの記事では説明しきれないが
下の図で表されている点が電子があたった点

壁に細い隙間(スリット)を2つあけておいて
その手前から電子を発射して
反対側の壁に当てる

粒子としてはその2つの隙間の片方を通って
隙間を通るときに横にぶつかったりして
ランダムに壁にたどりつく

いっぽう、波だと
2つのスリットを同時に波が通って
それぞれのスリットから出て来る波が
強め合ったり弱め合ったりするので
ある規則性のある模様が壁に映し出される

aやbでは点がランダムにうつっている

ここでは粒子性しか見て取れない

これがc,dとなっていくうちに
段々と規則的な模様となっていく

これが波動性の表れ

「二重スリット」の画像検索結果

この動画もわかりやすい

 

 

波だと思われていた光が粒子としての性質を持つことがわかり

粒子だと思われていた電子が波としての性質を持つことがわかった

物理量はとびとびの値しか持たない

光も電子も、あらゆるものが、粒子と波動の二重性を持つ

 

まとめ

  • 電気と磁気を統合した先に光がいた
  • 光の速度が不変だと認めると時間や空間が全体でなくなった
  • 光を調べていくと、あらゆるものがとびとびの値しか持たないこと、そして、粒子と波動の2重性をもつことがわかった

かなりかけあしになってしまったが

いかがだったでしょうか?

 

それぞれのトピックでもまだいくらでも話せるような内容を
ざっくりと紹介してみました

 

すこしでも興味を持ってもらえたらな、とおもいます

ここまで読んでいただきありがとうございました

 

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