光は本当に電磁波ですか？

質問

科学好きの甥っ子に質問されて分かりやすく説明してやろうと調べるうちに疑問に思いました。光は電磁波の一種であると子供向けの本にも書いてありますが、少し専門的な本を読んでも、ネット検索しても十分な証明がありません。私は文系なので理系の大学院で証明が出てくるような話ということになると分かりませんが、いろいろ読んでも光が電磁波だと分かったのは１９世紀の事で証明に量子力学も必要なさそうなんですが。

１）光が電磁波の一種と証明された最初の有名な
　実験とは何でしょうか？
２）電磁波というからには、ラジオやテレビの受信
　原理のように光から電界成分だけ取り出したり
　できるのでしょうか？

回答No.17

takkatyan

みなさん結構難しい話をされてますね‥
でも私も工学部に所属する理系の者ですので回答を。

電磁波というものは波(波動)です。波は干渉という現象を起こすものです。(というか、これが定義の１つ。)
水面に石を二つ投げると、出来た波紋はぶつかり合い、ある場所では水面の盛り上がりが増し、ある場所ではさらに水面が下がります。
光を細い小さなスリット２つに通すとスリットを通過した先の壁や板に明暗の縞模様が出来ます。これは光が干渉を起こし光が強めあった部分と弱めあった部分が出来るからです。この現象は真空中でも起こります。

ゆえに光は波(波動)であるといえ、電磁波の一種といえます。
勘違いなされてはいけないのは物理学的に言って単に波といったら電磁波しかないことです。
(波のようにみなせるものも現象としては多々ありますが、それらは物質中を伝わる振動波です。光は伝達媒介を一切必要としません。)

だから、波であることの証明＝電磁波であることの証明になります。

(ちなみに光電効果というのは光にも粒子っぽいところがあるっていう話です。)

お礼

＞ゆえに光は波(波動)であるといえ、電磁波の一種といえます。

でも、量子力学的に光子としての性質を持っているんですよね。
＞(ちなみに光電効果というのは光にも粒子っぽいところがあるっていう話です。)

電磁波の場合、ガンマ線の領域まで行くと、量子的性質が出て
くるようですが。

波長の違いにより、性質が違うという解釈のようですが、
テレビの電波には量子力学が使えず、光には波と粒子の
両方の性質があり・・・と

ニュートンって雑誌の光の特集も読んだのですが、
どうも納得いきません。

みなさんいろいろご回答ありがとうございます。

もうすこし自分でも考えてみます。

回答No.16

foobar

他の方の回答にもあるように、シンクロトロン放射はマイクロ波(電波)からX線までを、同一のプロセスで発生させますね。
似たようなもの(同一のプロセスで、条件によって電波がでたり可視光(や赤外線)がでる)ものとしては、
・分子や原子内の電子の励起、光子の放出(使うガスや励起準位で、可視光(ネオン管など)や電波(セシウム原子時計などで使われてたかと)が出てくる)
・上記と類似のレーザー(こちらは赤外から紫外光)、メーザー(こちらはマイクロ波)もあります

他にも
・電波でもマイクロ波よりもう少し周波数の高いミリ波以上の領域だと、フォトン検出型の検出器(SIS)というのが使われ始めてます。

・波長の微妙に異なる光を非線型媒質に入射すると、差の周波数の電波が生じる(光ヘテロダイン検波として使われています)

と、光と電波は同類(電磁波)としないと説明できない(しにくい)事象は、多いかと。

回答No.15

d9win

質問者が、光の説明は曖昧な記述ばかりであると言うのは、確かに当たってます。二十世紀を代表するアインシュタインもファインマンも”光は理解できない”と明言しています。電磁波の本質は分かってないのです(彼らは”電磁波は理解できない”という意味で”光”を使っている)。
しかしながら、私が#12回答した“光は、波長の短い電磁波と解釈するのが必要でかつ十分であることが、Herzの実験以後、確認され続けた”という文章は曖昧ではなく、どの物理の専門家が認めています。これが曖昧というならば、具体例を示して下さい。質問者は、光に”粒子性”があることから”電磁波”とは違うと言いたいようですが、#14回答にあるように粒子性は光固有のものでなく電磁波に固有のものと認識されています。テレビやラジオの電波では、それが現れ難いだけです。
なお、#13に対して質問されている、”電磁波が粒子的側面を有していることが証明された実験”は、コンプトン散乱(1923年)です。しかし、それはX線(後にはガンマ線)を使って実験してますので、テレビやラジオの電波の粒子的側面の証明を求めているのであろう質問者に対しての答えにならないでしょう。光電効果はHertzが最初に見いだしましたが、粒子性に直接関係するのはその現象に敷きい値波長があることの発見です(1902年レナード)。しかし、これに対する光が粒子であるというアインシュタインの説明(1905年)は、コンプトンの実験後にようやく広く受け入れられました。

Maxwellはエーテルの渦が目に見える光だろう”と考えて数式を組み立てた(1864年)のではなく、うまく辻褄が合った数式群を後から意味づけると”渦”が現れたのだと、私は理解してます。Hertzは新しい現象を発見し(1888年)、それがMaxwell方程式が正しければ(当時まだ名前がなかった)ある種の波が生じて離れた場所に何か影響を及ぼすであろう(という”あいまい”な)予想と矛盾がないこと示したのだと思います。彼が見つけた現象だけでは、Maxwell方程式を完全に証明できてないはずです。
いろんな考え方の人がいるでしょうが、物理学には厳密な証明は例外的で、不完全であることを甘受している体系であることは広く認められていると考えます。そして、よりもっともらしい”モデル”を見つけることに価値があり、厳密に説明できることは二の次であると考える立場の人も多いと思います。”もっともらしい”とは全体として矛盾がなく整合していることだと私は思ってます。“曖昧”であっても全体として整合が取れていればよろしいとしてきたのが物理学の歴史であったと私は思います。
電磁波(光)の本質は分からないけど、長波、中波、短波、極超短波(マイクロウェーブ)、ミリ波、サブミリ波、赤外線、可視光、紫外光、X線、ガンマ線という一連の波が、電磁波の波長が異なるだけで本質的に同じものであると解釈することが合理的で整合が取れていると判断されて来たのです。
(物理の歴史事例は、参考URL“量子力学の歴史”がほぼ網羅しています)

参考URL：

http://homepage3.nifty.com/oya2/physics/qed/qed.htm

回答No.14

walkingdic

>つまりマックスウェルも予言していないし、ヘルツも電磁波の性質として実験で確認していない別な性質を光は持っている事が分かったわけですよね。

"光が"ではなく"電磁波が"です。電磁波自体の量子化はその後推し進められて、第二量子化と呼ばれます。このあたりになると残念ながら一般向けのわかりやすい本は見あたらないのですが、ラウドンの光の量子論などで出てきます。（あくまで電磁波として扱っています）

>性質が違っては光と電磁波は同じとは言えなくなってしまいますね。
とはなりません。全部光＝電磁波として電磁波のマクスウェル方程式が基本となって導かれています。

>＞「電磁波」が粒子的側面を併せ持っている、
>ことが証明され実験とは何ですか？
光電効果（これ自体はヘルツらによって発見された現象で当時は説明がつかなかった）

>つまり光量子仮説は、ヘルツが光について行った実験を説明するもので、電磁波の実験とは別ですよね。

ですから当時はみな光＝電磁波として話を進めているのです。
それで電磁波の方程式で説明を行っています。

ですからはじめに申し上げたように、電磁波が光であるかどうかを具体的に確認したのではなく、それが当時当然の話として、というより正体が不明であった光とは何かを説明する物が電磁波であるという話が矛盾ないために定着したということです。

もちろん現代においては逆に光が電磁波でなければ自由電子レーザーやシンクロトロン放射などの説明がつかないから、疑う余地はないのですが、当時からそれを疑問視する人はいなかったので、そのまま定着したと言うことです。

回答No.13

walkingdic

>光は電磁波という波だとしていたのに、２０世紀にはアインシュタインの光量子仮説で光は粒子かもしれないという事になりましたよね。

いえ、違います。アインシュタインはなにも光が電磁波であることを否定はしていません。そもそも特殊相対論は電磁波のローレンツ変換式（特殊相対論の前から存在します）の根拠を与えたに過ぎません。アインシュタインは電磁波の伝搬に媒質（エーテルと呼ばれた）が不要で、どの慣性座標系からみても同じ速度であるとしたのが大きなポイントです。

光量子の話はアインシュタインが晩年になり提唱した話であり、あくまで光が粒子的性質であるという側面を持っているということだけです。
これは単に光がというのではなく、「電磁波」が粒子的側面を併せ持っている、そして波長が短くなるほどその性質は強くなるということだけです。

これはその当時に話が進んでいた量子力学の話とも一致していました。ただアインシュタインはハイゼンベルグの不確定性原理だけは納得がいかなかったようですが、それ以外の点まで否定していたわけではなく、光量子の実験結果はとプランクに始まりボーアなどが進めた量子力学を肯定する結果となったのです。
あるいみ、プランクの説明も含めてある程度量子力学の説明を否定したわけではなく、そこに持ち出された不確定性原理のみが納得いかず、他に説明がつくはずだと考えていたに過ぎません。

>ファラデー回転は１９世紀の話ですよね。
>これは電界成分の話なんですか。
話がややこしくなるのであまり混乱しないように書くのを避けていたのですが、とりあえず出来るだけわかりやすく書いてみます。
この現象がきちんと物理的に説明されたのは量子力学が完成してからになります。

ファラデー回転は円二色性（右回り円偏光と左回り円偏光での吸収が異なる）が生じることで生じます。なぜそれが生じるかというと、これは物質のスピン演算子が関与しており、磁場をかけるとこのスピン演算子が一方向にそろうこととなり、それに対しての電場との相互作用により円二色性が生じます。
ここでもやはり磁場が影響を受けたというよりも、磁場の影響を受けた物質が電場に対する特性が変化するために生じたというのがその仕組みです。
ファラデーのさらに詳しい話になると大学院講義レベルの話になるのでこのあたりでご勘弁を。

お礼

>あくまで光が粒子的性質であるという側面を持っているということだけです。

つまりマックスウェルも予言していないし、ヘルツも電磁波の性質として実験で確認していない別な性質を光は持っている事が分かったわけですよね。
性質が違っては光と電磁波は同じとは言えなくなってしまいますね。

＞「電磁波」が粒子的側面を併せ持っている、

ことが証明され実験とは何ですか？

つまり光量子仮説は、ヘルツが光について行った実験を説明するもので、電磁波の実験とは別ですよね。

もしご説明頂けるなら、具体的な理論や実験の名前を出して下さい。単に「電磁波」が粒子的側面を併せ持っている、と書かれても確認ができません。

回答No.12

d9win

1)順序が逆で、始めに光があって、電磁波が光の一種であることが証明されたのです。J.C.Maxwellは電気現象を表す一連の式を見いだした(19世紀の中頃)。見つけた式を見直すと、高速で伝搬する横波を表す式が導出できた。その速度が光の速度と似ていたことから、彼は光もこの電気振動に付随する横波として表されるであろうと思いついた。そして、このアイデアが(約20年後に)H.Hertzによって確認(証明)された。
H.Hertzは、断続放電(電気振動)によって離れた場所に電気現象(放電による火花)を生じさせた。そして、この遠隔現象を介在させる物が、光と同じように横波(光の偏光板に当たる複数の金属格子を使って確認)で、物の影に回り込む作用(回折)もあることを示した。この”遠隔現象を介在させる物”が電波(あるいは電磁波)と呼ばれることになった。電磁波は、Hertzによって発見された。
電磁波の性質はMaxwell方程式から具体的に引き出される。光は、波長の短い電磁波と解釈するのが必要でかつ十分であることが、Herzの実験以後、確認され続けた。すなわち、電子が振動すると電磁波が発生する、振動速度が大きくなると光が生じる。そして、 このことを否定する事例は現れなかった。光で起こる現象は電磁波で起こり、逆も成り立つ。例えば、望遠鏡と電波望遠鏡。
(2) ”ラジオやテレビの受信”と基本的に同じ原理で、光は動物の視覚神経や、植物の葉緑素の中で”受信”されていると、私は考えてます。アンテナに当たるのは、特殊な分子です。
白川さんのノーベル賞の対象は炭素分子の単純な鎖が電気伝導を示すことを発見したことでした。生態構成分子は、電流を流し得るし、半導体のような性質を示すこともあります。光の波長(0.4～0.8?m)程度の分子構造が、光のアンテナの働きをしてもおかしくありません。むしろ、光のアンテナがあるから光を感じたり捉えることが出来ると考えるべきでしょう。

お礼

私もいろいろ調べたのですが、ご回答にあような曖昧な、光が電磁波の一種であるという前提に基づいた曖昧な記述ばかりなので、具体的なところが知りたいのですが。

＞その速度が光の速度と似ていたことから、彼は光もこの電気振動に付随する横波として表されるであろうと思いついた。

マッススウェルはエーテルの渦が目に見える光だろう思っていたんですね。だからrotが出てくる。でもヘルツが確認したのはマックスウェル方程式に従う、目に見えない電磁波という波だったわけですよね。

＞光は、波長の短い電磁波と解釈するのが必要でかつ十分であることが、Herzの実験以後、確認され続けた。

光には、波の性質では説明のできない粒子性があることが２０世紀に入って光量子仮説で説明されましたよね。だからフォトンという言葉がある。どこからこの説明を引用されているか知りませんが、こういった曖昧で矛盾する説明ばかりなんです。

波動性があり、粒子性があるという意味では電子も同じですね。電子線反射、回折（波動性）があって、電気素量（粒子性、量子）がある。電界をかけてやるなど電子の運動を活発化させることで電子波も出てくる。

回答No.11

sanori

＞＞＞
＞電磁波というのは、ご存知の通り「フォトン」という粒子ですが、

そこをつなげる説明が見つからないのです。
・マックスウェルは電磁波という波があると言った
・アインシュタインは光量子（フォトン）という
　粒子状態があると言った

どの本にも光が電磁波の一種であると書いてあるので、説明があるとすれば量子力学以前の１９世紀の説明だと思います。ですからフォトンの概念は関係ないと思うのですが。
-----------

はい。
私が言いたかったのは、
たとえ量子力学が確立され、フォトンというものの存在も確認されている現在であっても、同一人物であるということは立証できないということです。

＞＞＞＞＞
＞だれもそのお顔を拝見することは出来ません。

その測定は成功したからアインシュタインは光量子仮説でノーベル賞もらったんです。今なら高感度カメラでフォトン１つ１つを捕らえることができます。
----

いえ、数えているだけで、お顔は拝見していません。

＞＞＞＞＞
＞、「光」と従来呼ばれていたものと「電磁波」と従来呼ばれていたものとが、エネルギー（周波数に比例）は違えど、本当に同一人物であるかを証明すること自体は、実は出来ないんです。

光は電磁波であるというのは証明できてない事なのに誰かが勝手にそう言い切っている？という事ですか。
-----

はい。そういうことです。
それは哲学的な問題になりますが、
炭素というものと２個結合して熱を発生させ、分子量が約３２、原子の質量数が約１６という得体の知れない物体を、酸素と定義し、同じ性質のものも酸素と呼ぶことにしているのと同じです。

＞＞＞
＞「性格や言動や行動が同じ人」であれば、「全く同じ人」として見なして良い、という暗黙の了解があるのです。

その場合、可能性があるとして証明を試みまよね。
例えば４つの力は似ているので、同じものではないかということで、電磁弱統一場理論まできましたが、距離の二乗に反比例するという明確な類似点があるのに、クーロン力と重力は同じものであるという事が理論的説明があってもまだ実験で証明されていません。
-----

クーロン力などの電磁気力（フォトン）と重力（グラビトン）は、明確に違います。
ビッグバンの直後の「真空の相転移」によって、「たまたま枝分かれ」し、「たまたま誕生した」のが電磁気力（フォトン）です。
親と子供、おじいさんと孫は、同一人物ではありません。
そして、どういう孫が生まれてくるかも、偶然性に左右されます。
電磁気力は、ひょっとしたら、この世に存在しなかったかもしれないのです。

＞＞＞＞＞
＞簡単に出来ますよ。
電子機器（の中を裸にしたもの）やアンテナに光を与えると、ノイズが出ます。

実例を示すか、その効果の名前を挙げて下さい。
発見者の名前でもいいです。
-----------

名称も発見者も知りませんが、私は経験上、微細な電気回路素子の特性を計測するとき、その素子を暗室の中に置いて測定しないといけないことをしっています。
暗室の窓をあけると、オシロスコープみたいな計測機器の画面には、窓を開ける前とは明らかに違う成分（電流）が発生しているのを確認できます。

その素子は、磁気よりも電気の影響を受けやすい性質の素子であることも判明しているので、電界成分（の変化）の効果であることは明らかでせす。

＞＞＞＞
ただ、他の方の回答もそうなんですが、光が電磁波であると証明された実験の答えがばらばらなのは、本当はそんな証明は存在していないのではないでしょうか？
-----

はい。
前回書いたとおりです。
否定は簡単にできますが、肯定は非常に難しいです。

回答No.10

sanori

＞＞＞
あのー、質問の答えでない事を長々書かれましてもー
ご参考ＵＲＬの要点を抜き出すと
＞1888年にハインリヒ・ヘルツが実験的に発見した。光も電磁波である。
　理由が書いてありませんね。
＞電磁波の予言と、その理論的伝播速度が実験的に得られた光の速度（光速）と一致していたので、光も電磁波の一種であると予言したことです。
予言したは分かりますが、ヘルツは電磁波の発生に成功しただけですね。光は電磁波と同じ速度を持つが電磁波ではないと言われても否定できる材料がないんです。重力波も光速で伝わるとされていますが、これは光でもなければ電波でもない。
私の質問に対する答えはないという事でしょうか？
-------------

あのー、お礼の欄にお礼でない事を長々書かれましてもー
（ということを書いてしまうから、私は質問者さんからポイントをもらえる率が悪く、削除処分を受けることもあるのです。）

電磁波というのは、ご存知の通り「フォトン」という粒子ですが、
だれもそのお顔を拝見することは出来ません。
よって、「光」と従来呼ばれていたものと「電磁波」と従来呼ばれていたものとが、エネルギー（周波数に比例）は違えど、本当に同一人物であるかを証明すること自体は、実は出来ないんです。

ひょっとしたら、表面についてる模様とかマークとか、付けてる名札は違うかもしれません。

ですから、
「性格や言動や行動が同じ人」であれば、「全く同じ人」として見なして良い、という暗黙の了解があるのです。

これは、他の科学においても同じです。

あなたと私が同じ人類であることを、どうやって証明しますか？
ということとも同じです。

数学に例えれば、
９９％以上一致しても、否定する事実が１つでも見つかれば、それは同じものとは認められなくなってしまいますが、
その逆は、非常に難しいのです。

電磁波には、電磁波の性質があり、光には光の性質があります。
ここにそれらを列挙する必要も無いでしょう。
ご存知かもしれませんし、調べても、すぐに分かることです。

私だったら、「電磁波や赤外光が、光と同一人物である」の例のほうが先に思いつきます。
反射式ストーブ、魔法瓶、テレビのリモコン。
（ちなみに、ビデオカメラでビデオカメラのリモコンを操作するところを撮影し、それを再生してみると、リモコンの先っちょから、人間には見えないはずの光が、ちゃんと写っています。）

（２）
「電磁波というからには、ラジオやテレビの受信
　原理のように光から電界成分だけ取り出したり
　できるのでしょうか？」

への具体的回答が、まだだったでしょうか。

簡単に出来ますよ。
電子機器（の中を裸にしたもの）やアンテナに光を与えると、ノイズが出ます。

また、
偏光板は、偏光軸と垂直方向の電界成分が吸収されて熱に変わるので、透過した５０％の光が直線偏光になります。

お礼

＞電磁波というのは、ご存知の通り「フォトン」という粒子ですが、

そこをつなげる説明が見つからないのです。
・マックスウェルは電磁波という波があると言った
・アインシュタインは光量子（フォトン）という
　粒子状態があると言った

どの本にも光が電磁波の一種であると書いてあるので、説明があるとすれば量子力学以前の１９世紀の説明だと思います。ですからフォトンの概念は関係ないと思うのですが。

＞だれもそのお顔を拝見することは出来ません。

その測定は成功したからアインシュタインは光量子仮説でノーベル賞もらったんです。今なら高感度カメラでフォトン１つ１つを捕らえることができます。

＞、「光」と従来呼ばれていたものと「電磁波」と従来呼ばれていたものとが、エネルギー（周波数に比例）は違えど、本当に同一人物であるかを証明すること自体は、実は出来ないんです。

光は電磁波であるというのは証明できてない事なのに誰かが勝手にそう言い切っている？という事ですか。

＞「性格や言動や行動が同じ人」であれば、「全く同じ人」として見なして良い、という暗黙の了解があるのです。

その場合、可能性があるとして証明を試みまよね。
例えば４つの力は似ているので、同じものではないかということで、電磁弱統一場理論まできましたが、距離の二乗に反比例するという明確な類似点があるのに、クーロン力と重力は同じものであるという事が理論的説明があってもまだ実験で証明されていません。

＞簡単に出来ますよ。
電子機器（の中を裸にしたもの）やアンテナに光を与えると、ノイズが出ます。

実例を示すか、その効果の名前を挙げて下さい。
発見者の名前でもいいです。

ただ、他の方の回答もそうなんですが、光が電磁波であると証明された実験の答えがばらばらなのは、本当はそんな証明は存在していないのではないでしょうか？

回答No.9

walkingdic

流れとしては、光の存在は元々知っていた（当たり前ですが）。
マクスウェルが電磁波の存在を予言。
その後マクスウェルは光の性質が電磁波と同じであることから光は電磁波であると推測。
その後ヘルツが電磁波の存在を確認。（電波）
と流れていき、反論も見当たらないのでそのままその考えが定着したまま確定したというのが歴史的な流れです。

ちなみに現在は電磁波であるという前提で光を考えないと逆に説明がつかないので（電荷を振動させると光が出るから）、疑う余地はなく証明も出来ますけど、当時はいつの間にか今度は電磁波を伝える媒質はなんなのかという議論に移り（いわゆるエーテル説）、アインシュタインが光速度不変の原理を唱えて特殊相対性理論を確立するにいたりました。（その途中で電磁波のローレンツ変換というものが既に電磁波に対して適用できることがわかっていて、特殊相対論でもそれが計算のベースになっています）

1)に対する答えとしては、逆に電磁波なるものが未知のものだったので、電磁波の存在を確認したヘルツの実験により電磁波が確かに存在することがわかり、光は電磁波であるという考えが定着したというのが流れです。
電磁波の光の存在を同時に認めた上で両者が同一なのか別なのかという考えは当時はなかったです。

2)に対する答えとしては、電磁波のうち電界成分だけを取り出すといういみでは、実は光の場合は大抵の場合が物質と相互作用するのは電界成分です。
光の吸収にしても、光を一度吸収したあと放出する過程にしても、また光の反射や屈折にしても電場成分が主たる影響を担っています。
光の磁場成分はあまり関与することがないのです。

お礼

＞その後ヘルツが電磁波の存在を確認。（電波）
と流れていき、反論も見当たらないのでそのままその考えが定着したまま確定したというのが歴史的な流れです。

マックスウェルもヘルツも１９世紀の話ですよね。
光は電磁波という波だとしていたのに、２０世紀にはアインシュタインの光量子仮説で光は粒子かもしれないという事になりましたよね。そのまま確定していないと思うのですが。

＞光の磁場成分はあまり関与することがないのです。

　ファラデー回転は１９世紀の話ですよね。
これは電界成分の話なんですか。

　具体的な例を挙げて説明して下さい。

理系の専門教育受けていない私が読んでも変なところだらけの回答ではなく、専門家の方のちゃんとしたご回答を希望します。

回答No.8

sanori

３度目です。
うるさくてすみません。

＃７の投稿ボタンを押す一瞬前に回答された＃６さんの文章を見て思い出しましたが、
私も、そういえば、過去に何度か似たようなこと書いてました。（笑）

どうぞ。（おそらく面白いと思いますよ）
http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=1998300

お礼

あのー、質問の答えでない事を長々書かれましてもー
ご参考ＵＲＬの要点を抜き出すと

＞1888年にハインリヒ・ヘルツが実験的に発見した。光も電磁波である。

　理由が書いてありませんね。

＞電磁波の予言と、その理論的伝播速度が実験的に得られた光の速度（光速）と一致していたので、光も電磁波の一種であると予言したことです。

予言したは分かりますが、ヘルツは電磁波の発生に成功しただけですね。光は電磁波と同じ速度を持つが電磁波ではないと言われても否定できる材料がないんです。重力波も光速で伝わるとされていますが、これは光でもなければ電波でもない。

私の質問に対する答えはないという事でしょうか？