干渉して打ち消しあった光の波のエネルギーはどうなる？

質問

同じ方向に進む、同じ波長の２つの光の平面波が
位相が１８０度ずれて干渉した場合、
それぞれの波は打ち消しあって消えてしまうと思うのですが、
この時光のエネルギーはどこに行くのでしょうか？
完全に消えてしまうとエネルギー保存則に反してしまうと思うのですが…？

（具体的な例としては、例えばレーザー光をビームスプリッターで
５０％、５０％に分け、再び同じ光路に半波長分ずらして戻した時
（そんなことが出来る光学機器があるかどうかはわかりませんが）
などを考えてください。）

回答No.10

joshua01 · ベストアンサー

こんにちは。再び出てきました。
ご指摘をいただきましたね。かなりの知識をお持ちのようなので、次のような説明ではいかがでしょう。

ポイントとしては、「完全な系で同一方向に完全な逆相を合成しようとする場合、そもそも波動を発生させられない！」

アンテナの世界を例に取ってみます。
１方向に完全な平面波を出すアンテナを一つ置いて（A）送信機をつなぎ、そこから1/2波長離れた位置に同方向に完全な平面波を出すアンテナをもうひとつ置いて(B)もう一つの送信機をつないだ場合がこれに相当しますね。

このとき、Bの出した電波はAに完全に受信されて送信機に逆相の電圧をもたらします。その結果、送信機（給電点）から見てアンテナは「インピーダンスが０」（短絡）と呼ばれる状態になり、動作しません。（印加したエネルギーは回路のロスになる。現実的にも給電点の短絡や解放は増幅回路のトランジスタの焼損が起きたりします。まあ、ブレーキのかかった自動車を思い切り押して、何のエネルギーもあたえられず疲れた状態でしょうか）

もっとも、このモデルは実現できません。
Aが完全に1方向にのみ電波を発射する場合、反射板付きアンテナ（現実にはパラボラなど）に相当しますが、これでは背面方向に当たるBからの波は全く吸収せず、他方で、Aの反射板はBにとっても反射板であり、Bからの波も完全に反射されて逆方向に放射され、「同一方向に向けての２つの波の発射」自体が存在しないことになります。何とか実現しようと、同一のアンテナに基本位相と逆位相の両方の電磁波を印加すると、これはまさに、「短絡」になりますね。

　まあ、先の十円玉モデルで言えば、一番端の十円玉を左側と右側両方から同時に指ではじいた状況でしょうか。この場合、この十円玉は他の十円玉に全く影響を与えず（空間にエネルギーが供給されない）、指が痛んだり（印加エネルギーが回路で浪費される）、理想反射して指に全く手応えがない（エネルギーが印加されない）状況になりますね。
　同じことは、板を使って水面に平面波（直線波）を作り出す場合でも理解できるでしょう

・・・ということで、２つ以上の波動が「打ち消し合う」というとき、「特定の位置」や「方向」で打ち消し合うものであって、「完全に消える」ということはありません。
先の回答にも書きましたが、「消えた」ように見える場合でも波が打ち消し合っているだけならば必ず何かの「ポテンシャル」は残っており、「水面の高さが全く変わらない」場合でも周辺の高さの変動によって水粒子の微少な運動は維持されており、十円玉問題でも、質問者さんのご指摘のとおり十円玉の変形等による微少運動が残り、電波において電界ゼロでも磁界変動は残っていて、波の伝達には関与しています。
周囲の広い範囲で運動や変動が無く、ポテンシャルもない場合は「波がもともと供給されていない」状態であり、「供給できない」仕組みだと言えるかもしれません。

さてさて、いかがでしょうか。
説明理論にいささか欠けももありそうですが、多少なりともお役に立てば幸いです。

補足

たびたび、大変ご丁寧な説明ありがとうございます。
他の回答者様からの説明にもありましたが、
そもそも同一方向に進む位相がずれた平面波のみを
作るということ自体が不可能で、
また出来たとしても、一方が他方の発振機のエネルギーを
吸収してしまうということがカギみたいですね。

私の頭が稚拙なため、まだ完全に理解できていない部分があるかもしれませんが、
ようやくわかりかけてきたように思います。
本当にありがとうございました。

回答No.2

SortaNerd

可能性として思いつくのは光路を重ねる機械(鏡?)が熱くなるというのと、レーザーが逆流するということですが、それを起こすような理由は思いつきません。

機械の方は位相を半波長ずらした2台のレーザーを垂直に配置して、交点に厚さ0の50%ミラーを置けばうまくいきそうです。

補足

回答どうもありがとうございます。
なるほどハーフミラーをそのように使えば確かに可能ですね。

ただ確かに鏡に熱が受け渡されるにしても、その理由が謎ですよね。
また実際には難しくても思考実験としては、
ミラーなしでも単に波同士を重ねるということは可能と思いますが
この場合は熱の受け取り手すらなくなりますが、
いったいどう考えればよいのでしょうね。

回答No.1

kenta28

＞ネルギー保存則に反してしまうと思うのですが…？

あれ？反しちゃいます？
単純に干渉する以前のエネルギーの総和と
干渉後のエネルギーがどちらもゼロってことでは

補足

光のエネルギーは振幅の二乗に比例するので、
干渉する前のそれぞれの波が一定の振幅を持っている場合は
エネルギーはゼロより大きくなると思います。
そして問題としている干渉して打ち消しあい、振幅がゼロになるときに
初めてエネルギーもゼロになると思うのですが、いかがでしょう？