キヤノンサイエンスラボ 光って何?

1700年頃、ニュートンは、光を粒子の集合だと考えました(粒子説)。同じ頃、光を波ではないかと考えた学者もいました(波動説)。光は直進します。だから、「光は光源から放出される微少な物体で、反射する」とニュートンが考えたのも自然なことでした。しかし、光が波のように回折したり、干渉したりする現象は、粒子説では説明できません。とはいえ波動説でも、金属に光があたるとそこから電子、つまり、“粒子”が飛び出してくる現象(19世紀末に発見された「光電効果」)は、説明がつきませんでした。このように、“光の本質”については、大物理学者たちが論争と証明を繰り返してきたのです。

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光は粒子だ!(アイザック・ニュートン)

「万有引力の法則」で知られるアイザック・ニュートン(イギリスの物理学者・1643-1727)は、プリズムを使って太陽光を分解して、光に周波数的な性質があることを知っていました。しかし、光が作る影の周辺が非常にシャープではっきりしていることから「光は粒子だ!」と考えていました。

イラスト:ニュートン

光は波だ!(グリマルディ、ホイヘンス)

光が波だという波動説は、ニュートンと同じ時代から、考えられていました。1665年にグリマルディ(イタリアの物理学者・1618-1663)は、光の「回折」現象を発見、波の動きと似ていることを知りました。1678年には、ホイヘンス(オランダの物理学者・1629-1695)が、光の波動説をたてて、ホイヘンスの原理を発表しました。

イラスト:ホイヘンス

光は絶対に波だ!(フレネル、ヤング)

ニュートンの時代からおよそ100年後、オーグスチン・フレネル(フランスの物理学者・1788-1827)は、光の波は波長が極めて短い波だという考えにたって、光の「干渉」を数学的に証明しました。1815年には、光の「反射」「屈折」についても明確な物理法則を打ち出しました。波にはそれを伝える媒質が必要なことから、「宇宙には光を伝えるエーテルという媒質が充満している」という仮説を唱えました。1817年には、トーマス・ヤング(イギリスの物理学者・1773-1829)が、干渉縞から光の波長を計算し、波長が1マイクロメートル以下だという値を得たばかりでなく、光は横波であるとの手がかりもつかみました。ここで、光の粒子説は消え、波動説が有利となったのです。

イラスト:ヤング

光は波で、電磁波だ!(マクスウェル)

次に登場したのは、物理学の天才、ジェームズ・マクスウェル(イギリスの物理学者・1831-1879)です。マクスウェルは、1864年に、それまで確認されていなかった電磁波の存在を予言、それをきっかけに「光は波で、電磁波の一種である」と考えられるようになったのです。それまで、磁石や電流が作り出す「磁場」と、充電したコンデンサーにつないだ2枚の平行金属板の間などに発生する「電場」は、それぞれ別個のものと考えられていました。そこにマクスウェルは、磁場と電場は表裏一体のものとする電磁気理論、4つの方程式からなる「マクスウェルの方程式」(1861年)を提出しました。ここまで、目に見える光(可視光)について進んできた光の研究に、可視光以外の「電磁波」の概念が持ち込まれることとなりました。

写真:マクスウェル

「電磁波」というと携帯電話から発生する電磁波などを想像しがちですが、実は電磁波は、電気と磁気によって発生する波のことです。電気の流れるところ、電波の飛び交うところには必ず電磁波が発生すると考えてよいでしょう。この電磁波の存在を明確にした「マクスウェルの方程式」は1861年に発表され、電磁気学のもっとも基本的な法則となっています。この方程式を正確に理解するのは簡単ではありませんが、光の本質に関わりますので、ぜひ詳細を見てみましょう。

イラスト:電磁波の種類

マクスウェルの方程式とは?

マクスウェルの方程式は、最も基本的な電磁気学上の法則となっているもので、4つの方程式で組みをなしています。第1式は、変動する磁場が電場を生じさせ、電流を生み出すという「ファラデーの電磁誘導の法則」です。

第2式は、「アンペール・マクスウェルの法則」と呼ばれるものです。電線を流れている電流によってそのまわりに磁場ができるというアンペールの法則に加えて、変動する磁場も「変位電流」と呼ばれる電流と同じ性質を生み出し、これもまわりに磁場を作り出すという法則が入っています。実はこの変位電流という言葉が、重要なポイントとなっています。

第3式は、電場の源には電荷があるという法則。第4式は、磁場には電荷に相当するような源は存在しないという「ガウスの法則」です。

変位電流とは?

2枚の平行な金属板(電極)にそれぞれ電池のプラス極、マイナス極をつなぐと、コンデンサーができます。直流では電気を金属板間にためるだけで、間を電流は流れません。ところが激しく変動する交流電源につなぐと、2枚の電極を電流が流れるようになります。電流とは電子の流れですが、この電極の間は空間で、電子は流れていません。「これはいったいどうしたことなのか」と、マクスウェルは考えました。そして思いついたのが、電極間に交流電圧をかけると、電極間の空間に変動する電場が生じ、この変動する電場が変動する電流の働きをするということです。この電流こそが「変位電流」なのです。

電磁波、電磁場とは?

「変位電流」の考え方は、意外な結論を引き出します。それは、「電磁波」が存在しえるということです。同時に、宇宙に存在するのは、目に見え、手に触れることができる物体ばかりでなく、目に見えない、形のない「場」もあるということもわかってきました。「場」の存在がはじめて明らかになったのです。マクスウェルの方程式を解くと、波動方程式があらわれ、そこから解、つまり答えとして電場、磁場がたがいに相手を生み出しあいながら空間を伝わっていくという波の式が得られました。「電磁波」が、数式上に姿をあらわしたのです。電場、磁場は表裏一体で、それだけで存在しえる“実体”なのです。それが「電磁場」です。

電磁波の発生原理は?

次は、コンデンサーについて考えてみましょう。 2枚の金属電極間に交流電圧がかかると、空間に変動する電場が生じ、この電場が変位電流を作り出して、電極間に電流を流します。同時に変位電流は、マクスウェルの方程式の第2式(アンペール・マクスウェルの法則)によって、まわりに変動する磁場を発生させます。できた磁場は、マクスウェルの方程式の第1式(ファラデーの電磁誘導の法則)によって、まわりに電場を作り出します。このように変動する電場がまた磁場を作ることから、2枚の電極のすき間に電場と磁場が交互にあらわれる電磁波が発生し、周辺に伝わっていくのです。電磁波を放射するアンテナは、この原理を利用して作られています。

電磁波の速度は?

マクスウェルは、数式上であらわれてきた波(つまり電磁波)の伝わる速度を計算しました。速度は、「真空の誘電率」と「真空の透磁率」、ふたつの値を掛け、その平方根を作ります。その値で1を割ったものが速度という、簡単なかたちでした。それまで知られていたのは、「真空の誘電率=9×109/4π」「真空の透磁率=4π×10-7」を代入してみると、電磁波の速度として、2.998×108m/秒が出てきました。これはすでに知られていた光の速度にピタリと一致します。 マクスウェルは、確信をもって、「光は電磁波の一種である」と言い切ったのです。

光は粒子でもある!(アインシュタイン)

「光は粒子である」という説はすっかり姿を消しました。ところが19世紀末になって復活させたのは、かのアインシュタインでした。 光は「粒子でもあり波でもある」という二面性をもつことがわかり、その本質論は電磁気学から量子力学になって発展していきます。アインシュタインは、光は粒子(光子:フォトン)であり、光子の流れが波となっていると考えました。このアインシュタインの「光量子論」のポイントは、光のエネルギーは光の振動数に関係するということです。光子は「プランク定数×振動数」のエネルギーを持ち、その光子のエネルギーとは振動数の高さであり、光の強さとは光子の数の多さであるとしました。電磁波の一種である光のさまざまな性質は、目に見えない極小の粒子、光子のふるまいによるものだったのです。

写真:アインシュタイン

光電効果ってなんだ?

「相対性理論」で有名なアルバート・アインシュタイン(ドイツの理論物理学者・1879-1955)は、光が金属にあたるとその金属の表面から電子が飛び出してくる現象「光電効果」を研究していました。「光電効果」の不思議なところは、強い光をあてたときに飛び出す電子(光電子)のエネルギーが、弱い光のときと変わらない点です(光が波ならば強い光のときには光電子が強くはじき飛ばされるはず)。強い光をあてたとき、光電子の数が増えることも謎でした。アイシュタインは、「光の本体は粒子である」と考え、光電効果を説明して、ノーベル物理学賞を受けました。

光子ってなんだ?

アインシュタインの考えた光の粒子とは「光子(フォトン)」です。このアインシュタインの「光量子論」のポイントは、光のエネルギーは光の振動数(電波では周波数と呼ばれる。振動数=光速÷波長)に関係すると考えたことです。光子は「プランク定数×振動数」のエネルギーを持っています。「光子とぶつかった物質中の電子はそのエネルギーをもらって飛び出してくる。振動数の高い光子にあたるほど飛び出してくる電子のエネルギーは大きくなる」と、アインシュタインは推測しました。つまり、光は光子の流れであり、その光子のエネルギーとは振動数の高さ、光の強さとは光子の数の多さなのです。

これを、アインシュタインは、光電効果の実験から求めたプランク定数と、プランク(ドイツの物理学者・1858-1947)が1900年に電磁波の研究から求めた定数6.6260755×10-34(これがプランク定数です)がピタリと一致することで、証明しました。ここでも、光の波としての性質、振動数が、光の粒としての性質、運動量(エネルギー)と深く関係している姿、つまり「波でもあり粒子でもある」という光の二面性が顔をのぞかせています。

光子以外の粒子も波になる?

こうした粒子の波動性の研究は、ド・ブロイ(フランスの理論物理学者・1892-1987)によって深められ、「光子以外の粒子(電子、陽子、中性子など)も、光速に近い速さで運動しているときは波としての性質が出てくる」ことが証明されました。ド・ブロイによると、すべての粒子は粒子としての性質、運動量のほか、波としての性質、波長も持っています。「波長×運動量=プランク定数」の関係も導かれました。別の見方をすれば、粒子と波という二面性の本質はプランク定数にあるともいうことができます。この考え方の発展は、電子顕微鏡など、さまざまなかたちで科学技術の発展に寄与しています。

イラスト:電子顕微鏡の構造図