光(light)(読み)ひかり(英語表記)light 英語

日本大百科全書(ニッポニカ)の解説

光(light)
ひかり
light 英語
lumière フランス語
Licht ドイツ語

本来は目を刺激して視覚を発生させる可視光線を意味していたが、今日では可視光線のみに限定せず、赤外線から紫外線までの電磁波を総称して光というのが普通である。さらに短波長のX線、γ(ガンマ)線などを含めることがある(図A)。

 光は生物の生存に欠くことのできない太陽や、燃える火から送り出されている。昔は遠い星の位置を見て季節を知り、農耕を始め、広野を旅した。『旧約聖書』の「創世記」に「神は光あれと言われた。……」と光についての記述があるのも、人間生活と光との深いかかわりを反映したものといえよう。古代の思想家がこの世の成り立ちを思いめぐらしたとき、光の本性、視覚の原因などを重要問題として解き明かそうとしたのは自然なことであった。たとえば、幾何学で有名なユークリッド(前4―前3世紀)らの著作のなかで、光の直進、視覚、平面鏡や球面鏡での光の反射などが考察され、また容器に水を入れると、底に置かれて見えなかった物体が外から見えてくると、公理の一つにあげてある。現在、かなたの天体や極微の世界から送り出される光は、その世界の情報を伝える使者として研究されており、また応用面でも人間生活を豊かにするさまざまな可能性を与えるものとして重要な役割をもっている。

 光の現象についての学問(光学(オプティクス))の本格的研究は、ドイツの天文学者のケプラーやイタリアのガリレイが望遠鏡をつくった17世紀初めから始まった。

[藤井寛治]

光の粒子説と波動説

光の本性をめぐり古くからさまざまな考えが出されており、それらは波動説と粒子説に大別される。ちょうど音が空気の振動により空気中を(体積変化の)波として伝わるように、光はある媒質中を伝わる波であるとする考えが波動説であり、古代ギリシアの哲学者・科学者であるアリストテレスがすでに述べている。一方、粒子説では、物体から光の粒子が放出され、真空や一様な透明物体の中を直進すると考える。波動説では媒質粒子は狭い範囲で振動運動をすると考えるのに対し、粒子説では光の粒子が高速で移動することになる。力学とともに光学を研究したイギリスのニュートンは、研究をまとめた『光学』(1704)を出版し、これにより粒子説の代表とみられている。彼と同時代に、弾性の法則で有名なイギリスのフックは、球面をなして広がっていく「波面」という概念を導入し、これは同時代のオランダの物理学者ホイヘンスが光の波動論を展開する基になった。水面上の波を遮るとき小穴を中心に広がる同心円状の波(二次波、素元波ともいう)は、もともと存在していたものが小穴付きの物体で遮られたために取り出されたものだ、と彼は考え、この波面の伝わり方が図Bのようになる(ホイヘンスの原理)として光の反射・屈折の説明を与えた。しかしそのままでは物体後方にも光が回り込むので、影ができること(光の直進性)の説明はむずかしい。

 他の光学現象も含めて波動説に基づく一貫した説明は、さらに1世紀以上を経た19世紀になって、フランスの土木技師フレネルらが光の弾性波動論をつくりあげることにより与えられた。弾性波動論は、外力に対して抵抗がある弾性体の中を音波が伝わるのと同様に、光が特別な弾性媒質(光エーテル)中を伝わる波であるとする考えに基づいている。

[藤井寛治]

光の直進と反射・屈折

遠くの小物体を片方の目で見て、手に持った鉛筆を間に置くと、物体は見えなくなる。これは、物体上の1点Pから出た光が鉛筆の後方にほとんど回り込まないことを示している。この直進性をもつ進み方を光線という用語で表している。光の直進性を基に光学現象を研究する分野を幾何光学という。いま光が媒質Aから媒質B(たとえば空気から水)の面に当たったとき、一部は反射され、他は屈折して媒質B中を進む。そのとき入射・反射・屈折の各光線は、面の法線とともに同じ平面内にある(図C)。角度α(アルファ)(入射)、β(ベータ)(屈折)、γ(ガンマ)(反射)について、α=γ(反射の法則)であり、次の屈折の法則が成立する。


 ここでnはBのAに対する屈折率とよばれ、(全反射が生じる臨界角α0より小さい入射角について)入射角αによらず媒質A、Bにより決まる定数である。反射の法則は古くから知られていたが、屈折の法則は1621年ごろになってオランダのスネルが発見したので、スネルの関係(スネルの法則)ともよばれている。これらをまとめてフェルマーの原理として表すことができる。屈折率一定な媒質中での光の直進性ばかりでなく、曲面での光の反射・屈折や屈折率が連続的に変わる場合の光の伝播(でんぱ)も含めて幾何光学の内容は、一般的な変分原理として表されたフェルマーの原理から導かれる。

 17世紀前半に活躍したフランスのデカルトは、自然哲学に関する著作のなかで、光を重要問題として考察した。有名な『方法序説』(1637)は、三つの試論(屈折光学、気象学、幾何学)を含んでおり、そのなかで、光の本性を論じ、屈折の法則や光学器械としての目を考察し、また大気中にある水滴による光の屈折現象として虹(にじ)を説明した。

[藤井寛治]

光の干渉と回折

水面に二つの小石を離して同時に落とすと、2組の同心円状の波が広がる。山どうしまたは谷どうしが重なると強い振動になり、山と谷が重なると打ち消し合いが生じる(波の干渉)。イギリスの医師T・ヤングは、光についても同様な現象が観測されるのを19世紀初頭に実験で示した。彼は波動説に基づいて干渉の理論をつくり、薄膜の着色、ガラス板上に置いたレンズに見られる縞(しま)(ニュートン環)を説明した。

 しかし、ニュートン力学の成功を背景に粒子説が支配的であったため注目されなかった。その後ヤングと同様な考えを展開したフレネルは、1819年フランス学士院の懸賞課題「回折現象の説明」にこたえ、光の回折現象に光の直進性とともに一貫した説明を与えた。

 波が物体で遮られたときにもなお物体の背後に回り込む現象が回折である。通常の音の場合には、波長が1メートル程度なので、同程度の大きさの物体の裏へも波が回り込み、音を聞くことができる。しかし可視光の波長は音波に比べて100万分の1以下であるから、回折は顕著ではなく、そのため光が直進するとしてよく、われわれが日常的大きさの物体を明瞭(めいりょう)に見ることができるのである。それに対し髪の毛のような物体の影を見ると、影の境界は明瞭なものではなく、幾何光学的に影の部分にも、光の当たる部分にも、明暗の縞(回折縞)が生じていることがわかる。この回折現象と、なぜ後ろへ逆行する波が生じないかを説明するためフレネルは、ホイヘンスの原理を一部修正し、二次波の振幅は、一次波と二次波の進行方向の間の角度が増すとともに減少し、180度になると0になるとした。この仮説は、19世紀末にドイツのキルヒホッフにより波動方程式に基づいて定式化され、回折現象に応用された。

[藤井寛治]

光速の測定

空気中と水中での光速をそれぞれcacwと書くと、ホイヘンスの考えによれば、cacwとなる。一方、ニュートンの考えでは、光の粒子が密度の大きな媒質へ入るとき、境界面の法線方向に加速されるのでcacwとなってしまう(図D)。

 地表で2点間に光が往復する時間を測って光速を決めることを、ガリレイは『新科学対話』のなかで提案しているが、光速が大きすぎて人間の感覚に頼っている限り不可能であった。しかし天体規模なら、光速が有限である影響が観測されてよい。

 17世紀後半、デンマークの天文学者レーマーは木星の衛星のおこす食(約42.5日の周期で衛星が木星の影に入る現象)を観測し、地球が軌道上で木星に近いときと遠いときとで食のおこる時刻がずれることを確かめ、ほぼ正しい光速の値c=2.1×108m/秒を得た(図E)。18世紀になりイギリスの天文学者J・ブラッドリーが、恒星を観測する望遠鏡の軸方向を太陽の周りの地球の公転運動の方向にいつも傾け続ける必要があり、したがって1年周期でその方向を変えねばならないこと(星の光行差)を発見した。望遠鏡の軸方向が半年おきになす角の半分を図Fの(1)のようにαとすると、実験値は、
 α≒1/3分≒0.0057度≒10-4ラジアン
である。粒子説では、図Fの(2)のように走っている車に乗った人が車の窓に当たる雨滴の方向を観測するのと同様に考えると、簡単に説明がつく。ただし、車の外は真空であるとするか、または空気があっても車の運動に関係なく静止したままであるとする。これは、粒子説では光の伝播のための媒質(光エーテル)を必要としないことに対応している。一方、光エーテルの存在を前提としている波動説で光行差を理解しようとするとき(雨滴の場合の空気が光エーテルに対応しているから)、光エーテルは望遠鏡の筒を自由に通過し、地球の移動になんら伴うことなく空間にとどまったままであると仮定しなければならない(ヤングの指摘した絶対静止エーテル仮説)。

 地上の実験で初めて光速のよい値を得たのはフランスの物理学者フィゾーである(1849)。彼は、光源の側に一様に回転する歯車を入れるくふうをして、送り出した光を約9キロメートル離れた鏡で反射させた。こうしてca=3.133×108m/秒を得た。翌年、地球の回転を示す振り子で有名なフランスの物理学者フーコーは、さらに巧みな方法(図G)でca=2.98×108m/秒というよい値を得た。また図Gの凹面鏡の前に水管を置き、cw≒(3/4)caを得てcwcaを示し、波動説に好ましい結果を与えた(1850)。運動物体と光エーテルの相対運動を知るうえで、運動する透明物体中での光速の決定は重要な課題であった。フィゾーが、高速の流水中に光を通した実験を行い、その結果は、光エーテルが部分的に運動物体に伴うという、フレネルの部分随伴仮説が正しいことを示すものと考えられた(アインシュタインの特殊相対性理論で与えられる速度合成則を用いれば、エーテルに基づかずにフィゾーが流水で得た実験式を導くことができる)。真空中での光速cは、caより大きいが、ほとんど等しい。現在、国際単位系では、c=299792458m/秒と定められている。これは、セシウム原子133Csの特定準位間の遷移に対応する放射の周期を用い1秒を定義することにより、長さの単位1メートルを定義することを意味している。

[藤井寛治]

光は横波

粒子説では干渉・回折の説明がむずかしいこともあり、波動説が支持を得るようになったが、また同時に光エーテルの性質の奇妙さがしだいに浮き彫りになった。この事情を簡単に説明しよう。

 一般に弾性媒質を伝わる波には、縦波と横波がある。空気は体積変化に対して抵抗を示すので、体積変化の波(いいかえれば密度の濃淡が伝わる粗密波)が空気中を音波として伝わる。その場合、空気の密度の振動方向は、波の進む方向と平行になっていて、縦波が生じている。これに対し、隣り合う媒質分子との結合が強いために横方向の媒質のずれに抵抗がある場合には、媒質の振動と直角方向に波が伝わる。縦波、横波の速さをvlvtと書くと、

である(dは媒質の密度、KGは、それぞれ体積弾性率、剛性率(ずり弾性率)で、圧縮、横方向のずりに対する弾性を示す定数)。これをエーテルに当てはめると、光速が大きいので、KGが非常に大きいかdが非常に小さいかとなり、エーテルは非常に固いか希薄かでなければいけない。光行差の説明にはできるだけ希薄なほうがよい。もしそうであるとすると媒質粒子間の結合は弱くなるので、空気の場合のように縦波だけになる。ところが、光は横波であることが19世紀前半に明らかになったのである。

 17世紀なかば過ぎに、結晶による光の複屈折が発見され、これをホイヘンスは詳しく研究した。方解石に当たった太陽光線は、2本の強さの等しい光線に分かれ、それぞれをもう一度方解石に入れると、第二の方解石の位置により、強度が一般には異なる2本の光線になるか、特別な場合には1本のままで進むことがわかった。縦波は進行方向に直角な方向になにも特別な方向性をもたないから、光を縦波とするとこの現象を理解できない。フランスの物理学者マリュスは、窓から反射した太陽光線は、ホイヘンスが第二の方解石で観測したのと同じ性質を示すことを発見し(1808)、この研究によりフランス学士院から賞を得た(1810)。ガラスでの反射や方解石中への入射により、太陽光線が横振動に関してある種の整理を受けると考え、マリュスはこれを偏光とよんだ。その後フレネルは、方解石中の2本の屈折光が互いに直角方向に振動する横波(互いに直角に偏光した光)であると考え、これらの現象を定量的に説明することができた。こうして、光は横波であろうというヤングの着想の正しさが明らかになった。

[藤井寛治]

光=電磁波

電磁現象の本格的研究は19世紀初めから始まり、イギリスのファラデーやデンマークのエールステッドらにより、電気と磁気の間の密接な関係が明らかにされた。その関係を示す法則のなかに、特有の定数が登場する。ドイツのW・E・ウェーバーとコールラウシュは、それが真空中での光速cと一致することを実験で示した(1856)。その10年くらい前ファラデーは、磁場中にある物体に一方向に偏った光が通るとき、偏りの方向が回転すること(ファラデー効果)を発見した。これらは、光と電磁現象の間に密接な関連があることを示している。

 電磁作用が空間を順に伝わるというファラデーの考えを定式化し、古典電磁気学を完成したのはイギリスのマクスウェルである。その基礎方程式をみると、電場や磁場が波(電磁波)として伝わり、真空中では速さが光速cとなる。こうして彼は、光はある振動数帯のなかにある電磁波の一種であると結論した。この予言は、ドイツのH・R・ヘルツが火花放電の実験をして確かめた。

 光が電磁波であれば、電磁作用を伝える媒質(電磁エーテル)は光エーテルでもある。すでに述べた奇妙な力学的性質をもつエーテルが実在するのであれば、かならずその効果が観測されるはずである。それをみいだそうとした実験のなかで有名なのは、アメリカ(ポーランド生まれ)のマイケルソンらによる、エーテルの風の光速に対する影響を調べたものがある。実験を繰り返してもその影響はみいだされず、地球とエーテルの相対速度を0としなければならず、光行差の説明と矛盾することになった。

 1905年ドイツのアインシュタインは「同時」という概念を検討することにより、エーテルの存在を抜きにしてすべてに一貫した説明を与えることができることを示した。

[藤井寛治]

光の二重性

ドイツの理論物理学者プランクは、古典論では説明できない空洞放射の観測事実を理解するため、エネルギー量子仮説を提出した(1900)。これが物理学に一大変革をもたらした量子論の発端である。その5年後これに基づきアインシュタインは、金属に光を当てると電子が飛び出す光電効果を説明した。それによれば、振動数ν、波長λの光は、エネルギーhν、運動量h/λ=hν/chはプランク定数)をもつ粒子(光子(こうし)、フォトン)としてふるまう(光量子仮説)。この粒子的性質は、アメリカのコンプトンによりX線と電子の散乱実験で確かめられた(1923)。

 粒子と波の性質をあわせもつという二重性は、光ばかりでなく、粒子とみられていた電子にも存在することが実験で確かめられている(1927)。古典力学的描像では理解できない二重性は、1920年代に確立した量子力学により矛盾なく記述されることが明らかになるのである。

[藤井寛治]

レーザー

1950年代になって、原子の誘導放射の性質を利用して、雑音の混じらない電磁波を人工的につくる技術が開発された。初めはマイクロ波について(装置をメーザーとよぶ)、引き続きレーザーとよばれるより短波長についての装置がつくられた。その後、誘導放射のために用いられる物質やさまざまな波長領域に応じて、多様な装置がつくられている。また、非線形光学が物理学の新しい分野として展開され、物質構造の解明やさまざまな実用面へのレーザー、メーザーの応用が生み出された。通信、医療、加工、高精度機器、核融合の新技術など、多面的な応用と広い可能性をもち、使用を誤らない限り人間生活を豊かにするうえで欠かせないものになっているといえよう。

[藤井寛治]

『ボルン著、林一訳『アインシュタインの相対性理論』(1968・東京図書)』『遠藤真二著『光の歴史』(1978・東京図書)』『堀健夫・堀淳一著『光学』1、2(1978・みすず書房)』『飼沼芳郎著『干渉および干渉性』(1981・共立出版)』『山口重雄著『物理学One Point14 屈折率』(1981・共立出版)』『和田正信著『放射の物理』(1982・共立出版)』『好村滋洋著『初等物理シリーズ8 光と電波』(1990・培風館)』『D・F・ウォールス、G・J・ミルバーン著、霜田光一・張吉夫訳『量子光学』(2000・シュプリンガー・フェアラーク東京)』『大坪順次著『光入門』(2002・コロナ社)』『Max Born、Emil Wolf著、草川徹訳『光学の原理 1』(2005・東海大学出版会)』


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