光：粒子か波か？

可視光の正確な性質は、何世紀にもわたって人間を困惑させてきた謎です。 古代ピタゴラスの規律からギリシャの科学者は、アリストテレスは、光が海の波に似た方法で移動することを結論づけながら、すべての可視オブジェクトは、粒子の安定した流れを放出すると仮定しました。 これらのアイデアは、過去20世紀にわたって数多くの変更と大幅な進化を遂げてきましたが、ギリシャの哲学者によって確立された紛争の本質は

ある視点は、光を自然の中で波のようなものとして想定し、落ちた岩に邪魔された後、まだ池の表面に広がる波紋と同様の方法で空間を横断するエネル 反対の見解では、光は庭のホースのノズルから噴霧された小さな水滴のように、安定した粒子の流れで構成されていると考えられています。 過去数世紀の間に、意見のコンセンサスは、他のための証拠によって覆されるだけで、時間の期間のために支配的な一つのビューで揺れ動いています。 20世紀の最初の数十年の間にのみ、包括的な答えを提供するために収集された十分な説得力のある証拠があり、誰もが驚いたことに、両方の理論は少な

18世紀初頭、光の性質についての議論は、科学界を彼らの好きな理論の妥当性を激しく戦った分割されたキャンプに変えました。 波理論に加入した科学者の1つのグループは、オランダ人のChristiaan Huygensの発見に彼らの議論を集中させました。 反対側の陣営は、光が粒子のシャワーとして移動し、それぞれが屈折、吸収、反射、回折、または何らかの他の方法で乱されるまで直線的に進行することを証 ニュートン自身は、光の性質に関する彼の粒子理論についていくつかの疑問を持っているように見えたが、科学界での彼の威信は、彼の支持者が彼らの猛烈な戦いの間に他のすべての証拠を無視したほど多くの重さを保持しました。

ホイヘンスの光の屈折の理論は、光の波のような性質の概念に基づいて、任意の物質における光の速度はその屈折率に反比例すると主張した。 言い換えれば、ホイヘンスは、光が物質によって「曲がったり」屈折したりするほど、その物質を横切って移動するのが遅くなると仮定していました。 彼の追随者は、光が粒子の流れで構成されている場合、より密度の高い媒体に入る光が媒体中の分子に引き付けられ、速度の低下ではなく増加を経験するため、反対の効果が起こると結論づけた。 この議論に対する完璧な解決策は、例えば、異なる物質、空気およびガラス中の光の速度を測定することであろうが、その期間の装置は仕事までではな 光は、それが通過した材料に関係なく、同じ速度で移動するように見えました。 光の速度がホイヘンス理論が正しいことを証明するのに十分高い精度で測定することができる前に、150年以上が経過しました。

サー-アイザック-ニュートンの高い評価にもかかわらず、1700年代初頭の多くの著名な科学者は彼の粒子理論に同意しなかった。 光が粒子で構成されている場合、二つのビームが交差すると、粒子のいくつかが互いに衝突して光ビームに偏差を生じると主張する者もいた。 明らかに、これはそうではないので、彼らは光が個々の粒子で構成されてはならないと結論づけました。

ホイヘンスは、すべての彼の直感のために、彼の1690年の論文Traité de la Lumièreで、光の波が空気と空間全体に目に見えない存在として存在する神秘的な無重力物質であるエーテルによって媒介される空間を旅することを示唆していた。 エーテルの検索は、最終的に休息するために敷設される前に、十九世紀の間に資源のかなりの量を消費しました。 エーテル理論は少なくとも1800年代後半まで続き、エーテルが光の伝播方向に垂直な角度で振動することによって光波を運ぶことを実証するチャールズ-ホイートストンの提案されたモデルと、目に見えない物質の構造を記述するジェームズ-クラーク-マクスウェルの詳細なモデルによって証明された。 ホイヘンスは、エーテルは光と同じ方向に振動し、光の波を運ぶときに波自体を形成すると信じていました。 後の巻、ホイヘンスの原理では、彼は独創的に波上の各点は、その後、波面を形成するために一緒に追加し、独自のウェーブレットを生成することができる方 ホイヘンスは、屈折現象の詳細な理論を生成するために、また、光線がパスを横断するときに互いに衝突しない理由を説明するために、このアイデアを

光のビームが異なる屈折率を有する二つの媒体間を移動すると、ビームは屈折を受け、第一の媒体から第二の媒体に通過するときに方向を変化させる。 光ビームが波や粒子で構成されているかどうかを判断するために、それぞれのモデルを考案して現象を説明することができます（図3）。 ホイヘンスの波理論によれば、各斜めの波面の小さな部分は、フロントの残りの部分が界面に到達する前に第二の媒体に影響を与えるはずです。 この部分は、波の残りの部分がまだ第一の媒体中を移動している間に第二の媒体を通って移動し始めるが、第二の媒体のより高い屈折率のためによ 波面は現在2つの異なる速度で移動しているので、それは第2の媒体に曲がり、したがって伝播の角度を変化させる。 対照的に、粒子理論は、光の粒子がある媒質から別の媒質に通過するときになぜ方向を変えるべきかを説明するのがかなり難しい時期を持っています。 理論の支持者は、界面に垂直に向けられた特別な力が、粒子が第二の媒体に入るときに粒子の速度を変化させるように作用することを示唆している。 この力の正確な性質は推測に委ねられており、理論を証明する証拠はこれまでに収集されていません。

二つの理論のもう一つの優れた比較は、光が鏡のような滑らかな鏡面から反射されるときに起こる違いを含みます。 波動理論は、光源があらゆる方向に広がる光波を放射すると推測しています。 ミラーに衝突すると、波は到着角に従って反射されますが、各波が前に戻って反転して逆の画像が生成されます（図4）。 到着する波の形状は、光源が鏡からどれくらい離れているかに強く依存します。 近い光源から発生する光は、依然として球形で高度に湾曲した波面を維持しますが、遠くの光源から放射される光はより広がり、ほぼ平面である波面でミラーに影響を与えます。

光のための粒子の性質の場合は、屈折のための場合よりも反射現象に関してはるかに強いです。 光源から放出された光は、近くであろうと遠くであろうと、粒子の流れとして鏡面に到着し、滑らかな表面から跳ね返るか、または反射される。 粒子は非常に小さいので、膨大な数が伝播する光ビームに関与しており、そこでそれらは非常に近くに並んで移動します。 ミラーに衝突すると、粒子は異なる点から跳ね返るため、図4に示すように、反射時に光ビーム内の順序が逆になり、逆の画像が生成されます。 粒子と波動の両方の理論は、滑らかな表面からの反射を適切に説明します。 しかし、粒子理論はまた、表面が非常に粗い場合、粒子は様々な角度で跳ね返り、光を散乱させることを示唆している。 この理論は実験的な観察に非常に密接に適合しています。

パーティクルと波は、オブジェクトのエッジに遭遇して影を形成するときにも、異なる動作をする必要があります（図5）。 ニュートンは1704年の著書”Opticks”の中で、”光は曲がった通路に従うことも、影に曲がることも知られていない”と指摘していた。 この概念は、軽い粒子が常に直線で移動しなければならないことを提案する粒子理論と一致しています。 粒子が障壁の端に遭遇した場合、障壁によってブロックされていない粒子は直線で続き、エッジの後ろに広がることができないため、影を落とします。 巨視的スケールでは、この観察はほぼ正しいが、はるかに小さいスケールでの光回折実験から得られた結果とは一致しない。

光が狭いスリットを通過すると、ビームが広がり、予想よりも広くなります。 この根本的に重要な観測は、光の波理論にかなりの信頼性を与えます。 水中の波のように、オブジェクトのエッジに遭遇する光の波は、エッジの周りと光ビームによって直接照らされていない領域であるその幾何学的影に曲 この動作は、離れて反射するのではなく、いかだの端を包む水の波に似ています。

ニュートンとホイヘンスが理論を提案してからほぼ百年後、イギリスの物理学者Thomas Youngは、光の波のような性質を強く支持する実験を行った。 彼は光が波で構成されていると信じていたので、ヤングは二つの光の波が会ったときに何らかのタイプの相互作用が起こると推論した。 この仮説を検証するために、彼は単一の狭いスリットを含むスクリーンを使用して、通常の日光からコヒーレント光ビーム（位相を伝播する波を含む）を生成 太陽の光線がスリットに遭遇すると、それらは広がるか、または回折して単一の波面を生成する。 この前面が2つの間隔の狭いスリットを有する第2のスクリーンを照らすことが許される場合、2つの追加のコヒーレント光源が、互いに完全に段階的に生成されます(図6参照)。 各スリットからの光は、二つのスリットの中間の一点に移動し、ステップで完全に到着する必要があります。 結果として生じる波は、はるかに大きな波を生成するためにお互いを強化する必要があります。 しかし、中心点の両側の点を考慮すると、一方のスリットからの光は、中心点の反対側の第二の点に到達するためにはるかに遠くに移動しなければな この第二の点に近いスリットからの光は、遠くのスリットからの光の前に到着するので、二つの波は互いにステップから外れ、お互いをキャンセルして闇を生成する可能性がある。

彼が疑ったように、ヤングは、スリットの第二のセットからの光波が広がる（または回折される）とき、それらは互いに会い、重なり合うことを発見した。 いくつかのケースでは、オーバーラップは、正確にステップで二つの波を結合します。 しかし、他の場合には、光波は、互いにわずかにまたは完全にステップから外れて結合される。 ヤングは、波がステップで会ったときに、建設的な干渉と呼ばれるようになったプロセスによって一緒に追加されることを発見しました。 ステップの外に会う波は、破壊的な干渉として知られている現象、お互いをキャンセルします。 これらの両極端の間では、様々な程度の建設的および破壊的な干渉が起こり、広い範囲の振幅を有する波を生成する。 ヤングは、二つのスリットの後ろに設定された距離に置かれた画面上の干渉の影響を観察することができました。 回折された後、干渉によって再結合される光は、スクリーンの長さに沿って一連の明るい縞と暗い縞を生成する。

一見重要ではあるが、ヤングの結論は当時広く受け入れられておらず、主に粒子理論に対する圧倒的な信念のためであった。 光の干渉に関する彼の観察に加えて、ヤングは、異なる色の光が異なる長さの波で構成されていると仮定し、今日広く受け入れられている基本的な概念 対照的に、粒子理論の支持者は、異なる質量を有する粒子または異なる速度で移動する粒子から様々な色が導出されることを想定していた。

干渉効果は光に限定されません。 プールや池の表面に生成された波は、すべての方向に広がり、同じ動作を受けます。 二つの波がステップで会うところで、それらは建設的な干渉によってより大きい波を作るために一緒に加えます。 ステップからある衝突の波は破壊的な干渉によって互いを取り消し、水に水平な表面を作り出す。

交差偏光子間の光ビームの挙動を慎重に検討したところ、光の波のような性質に関するさらに多くの証拠が明らかになりました（図7）。 偏光フィルターは、単一の配向を有する光のみが通過することを可能にする独特の分子構造を有する。 言い換えれば、偏光子は、偏光材料内の単一の方向に配向されたスラットの小さな列を有する特殊なタイプの分子ベネチアンブラインドと考えることができる。 光線が偏光子に衝撃を与えることが許される場合、偏光方向に平行に配向された光線のみが偏光子を通過することができる。 第二の偏光子が第一の偏光子の後ろに配置され、同じ方向に配向されている場合、第一の偏光子を通過する光も第二の偏光子を通過する。

しかし、第二の偏光子を小さな角度で回転させると、通過する光の量が減少します。 第二の偏光子が回転して第一の偏光子の向きに垂直になるようにすると、第一の偏光子を通過する光はいずれも第二の偏光子を通過しない。 この効果は波動理論で簡単に説明できますが、粒子理論の操作は第二の偏光子によって光がどのように遮断されるかを説明することはできません。 実際には、粒子理論はまた、干渉と回折、後で同じ現象の症状であることが判明する効果を説明するのに十分ではありません。

偏光で観測された効果は、光が伝播方向に垂直な成分を有する横波からなるという概念の開発にとって重要でした。 横断成分のそれぞれは、それが通過するか、または偏光子によって遮断されることを可能にする特定の配向方向を有していなければならない。 偏光フィルタに平行な横方向成分を有する波のみが通過し、他のすべてが遮断される。

1800年代半ばまでに、科学者たちは波のような光の性質をますます確信するようになっていましたが、横柄な問題が1つ残っていました。 正確に光とは何ですか？ イギリスの物理学者ジェームズ-クラーク-マクスウェルによって、あらゆる形態の電磁放射が連続スペクトルを表し、同じ速度で真空を通過することが発見されたとき、186,000マイル/秒で画期的なことが行われた。 マクスウェルの発見は効果的に粒子理論の棺を釘付けにし、20世紀の夜明けまでに、光と光学理論の基本的な質問が最終的に答えられたように見えた。

波理論への大きな打撃は、科学者が特定の条件下では、光がいくつかの金属の原子から電子を取り除くことができることを最初に発見した1880年代後半に舞台裏で発生しました（図8）。 最初は好奇心が強く説明できない現象でしたが、紫外光がさまざまな金属の電子の原子を和らげて正の電荷を生成することがすぐに発見されました。 ドイツの物理学者Philipp Lenardはこれらの観測に興味を持ち、これを光電効果と呼んだ。 レナードはプリズムを使用して白色光をその成分色に分割し、各色を金属板に選択的に集中させて電子を排出しました。

レナードが発見したものは混乱し、彼を驚かせた。 特定の波長の光（例えば青色）では、電子は一定の電位、または一定量のエネルギーを生成した。 光の量を減少または増加させると、放出された電子の数に対応する増加または減少が生じたが、それぞれは依然として同じエネルギーを維持した。 言い換えれば、それらの原子結合を脱出する電子は、強度ではなく光の波長に依存するエネルギーを持っていた。 これは、波動理論から予想されるものに反しています。 レナードはまた、波長とエネルギーの間のリンクを発見しました: 短波長は、より多くのエネルギーを有する電子を生成した。

光と原子の関係の基礎は、1800年代初頭にWilliam Hyde Wollastonが太陽のスペクトルが光の連続したバンドではなく、何百もの欠落した波長を含んでいることを発見したときに鋳造されました。 欠けている波長に対応する500以上の狭い線は、ドイツの物理学者Joseph von Fraunhoferによってマッピングされ、最大のギャップに文字を割り当てました。 その後、太陽の外層の原子による特定の波長の吸収からギャップが生成されることが発見されました。 これらの観測は、原子と光の間の最初のリンクのいくつかでしたが、基本的な影響は当時は理解されていませんでした。

1905年、アルベルト-アインシュタインは、波のような性質の圧倒的な証拠にかかわらず、光は実際にはいくつかの粒子特性を持つかもしれないと仮定した。 彼の量子論の開発では、アインシュタインは、金属中の原子に付着した電子が特定の量の光（最初は量子と呼ばれますが、後に光子に変更されます）を吸 彼はまた、光子のエネルギーが波長に反比例すると、より短い波長がより高いエネルギーを持つ電子を生成すると推測した。

アインシュタインの理論は、1920年代にアメリカの物理学者アーサー-Hの実験によって固化した。 コンプトンは光子が運動量を持っていることを示し、物質とエネルギーは交換可能であるという理論を支持するために必要な必要条件であった。 同じ頃、フランスの科学者Louis-Victor de Broglieは、すべての物質と放射線が粒子と波の両方に似た性質を持つことを提案しました。 デ・ブロイはマックス・プランクの導きに従い、質量とエネルギーに関するアインシュタインの有名な公式を、プランク定数を含むように外挿した：

ここで、Eは粒子のエネルギー、mは質量、cは光速、hはプランク定数、λは周波数である。 波の周波数を粒子のエネルギーと質量に関連付けるDe Broglieの研究は、最終的に光の波のような性質と粒子のような性質の両方を説明するために利用される新しい分野の開発において基本的なものであった。 量子力学は、Einstein、Planck、de Broglie、Neils Bohr、Erwin Schrödingerなどの研究から生まれました。電磁放射が現在二重性と呼ばれているもの、または粒子のような振る舞いと波のような振る舞いの両方をどのように表示できるかを説明しようとしました。 時には、光は粒子として、そして他の時には波として振る舞う。 光の挙動に対するこの相補的な、または二重の役割は、屈折、反射、干渉、および回折から偏光および光電効果による結果に至るまで、実験的に観察された既知の特性のすべてを記述するために使用することができる。 組み合わせることで、光の特性が一緒に働き、宇宙の美しさを観察することができます。