光の実態について

質問

光の性質として粒子としての性質と波としての性質があったと思います。
　粒子としての性質としては光電効果によって、波としての性質は光の干渉、屈折などによってその性質が確認されていると思いました。
　しかし本当はどっちなのでしょうか？
　私は大学時代、電磁波だと習いましたがもし波ならば媒体はなんなのでしょうか？波という物はかならず媒体を必要としますよね。海の波ならば水、音ならば空気といったように。この例に漏れず光にも媒体があるのでしょうか？また粒子だとしたらそれはどんなものだと推測されますか？
　散文的になってしまいましたが回答をよろしくお願いします。

回答No.8

apple-man

＞しかし本当はどっちなのでしょうか？

　光は粒子か波か？どちらかに決着をつけようと
いう議論は２０世紀初めくらいで終わっていると
思います。　
　結局、両方の性質を持っているということが
はっきりしただけで、なぜなのかは結論が
出ていません。

＞電磁波だと習いましたがもし波ならば媒体はなんなのでしょうか？

　電磁気学の理論を完成させたマックスウェルは、
エーテルの回転が電磁波の発生要因だとして
理論を作ったんです。だからマックスウェル方程式には
ｒｏｔ（回転）が出て来るわけで。
　ところがエーテルの存在は否定されてしまった。
理論は測定と合うけど、理論の前提が崩れて
しまった。何を計算しているか分からなくなったけど
計算結果はあっているという変な状態のまま現在に
至っています。

　しかし、空間はヒッグス粒子で満たされていると
いう仮説に基づくヒッグス理論のように、
空間には何かあると考えるのが自然なようで、
その存在する何かが電磁波の媒体なんでしょう。

＞それはどんなものだと推測されますか？

　波と粒子の両方の性質を持つ現象というのは、
目に見えるマクロの世界でも存在しています。
ソリトンというやつです。粒子のように
振舞う波の塊といった感じでしょうか。

　万物の根源はヒモであるという「超弦理論」
では、１１次元でそのヒモは回転し振動
しており、ソリトンとしての性質を持って
いるとされています。
　ヒモの断面は物質を現し、ヒモの本体は
力として現れます。

　空間はなんらかの力で満たされて
いることが知られていますから、
超弦も存在するなら空間を
満たしていることでしょう。

　超弦が、観測の仕方、条件によって
ときに電磁波として観測され、ときに
フォトン（超弦の振動のソリトン解）
として観測されるのではないでしょうか。

回答No.7

shiara

＞量子という言葉から陽子や電子のような粒を思い浮かべてしまうのですが違うのでしょうか。
実態はよく分からないものです。

＞それは質量のある物質ですか？それともエネルギーの塊ですか？
質量もエネルギーも物質が持つ物理量の１つです。陽子や電子のように質量が定義できるものもあれば、光子のように質量が定義できないものもあります（ゼロとして扱われる場合もあります）。エネルギーは物質の持つ物理量ですから、エネルギーの塊という概念はありません。

＞現時点では言葉の上で量子というかりそめの言葉で片付けて粒子のようにも波のようにも振舞うと述べているだけなのでしょうか。
そうとらえてもよいでしょう。分かっているのは、量子は粒子でも波でもないということです。しかし、その挙動を定量的に扱う知識を人類は持っていますから、実態が何か分からなくてもそれは問題ではないのです。

回答No.6

noname#175206

干渉模様を作るのは光「量子」が波の性質も持つためです。光電効果は粒子の性質があらわれている現象ですね。もちろん重力場で曲がるのもそうです。光が量子であると論文を書いてノーベル賞をもらったのが、ほかでもない、アインシュタインです。
　ちなみに、小さくエネルギーも低い（質量が少ない）ことが、「量子」であることに関与しますが、速さはほとんど関係ありません。
　この量子というもの、もともとは電子に関する疑問から生まれました。化学の教科書に原子核の周りを回っているかのような図が描かれていますが、古典的には原子はそういうものだと思われていました。ちょうど太陽の周りを惑星が回っているようなものですね。
　で、電磁気学が教えるところによれば、電荷が加速度運動すると電磁波を放射して運動エネルギーを失います。円運動は加速度運動です。すると古典的模型では電子はたちまち原子核に落ち込んで今うことになります。もちろん、現実にはそうなっていませんから、何らかの理論が必要でした。そこで考え出されたのが、電子は波でちょうど一周すると周期が合うような距離にあるというものです。文字で言えば☆みたいな感じです。この理論の出たあたりは前期量子力学と呼ばれます。まあ、それでもうまくいかないので、今の量子力学になってきたわけです。
　そういうわけで、量子力学は電子がよく扱われます。どの教科書でももっとも単純な水素原子が出だしだったりしますしね。質問者様も、電子でお調べになると、割合うまく調べがつくかもしれません。

回答No.5

shiara

光は、粒子でも波でもありません。それでは何かというと、量子ということになりますが、それが何なのか、というと、実態はよく分からないものです。
光は粒子でもあり波でもあると言われますが、この表現はよろしくありません。その振る舞いが、粒子のように思われる時もあれば、波のように思われる時もある、というのが適当と思います。

補足

私は、量子という言葉から陽子や電子のような粒を思い浮かべてしまうのですが違うのでしょうか。それは質量のある物質ですか？それともエネルギーの塊ですか？
それとも現時点では言葉の上で量子というかりそめの言葉で片付けて粒子のようにも波のようにも振舞うと述べているだけなのでしょうか。

回答No.4

tetsumyi

確かに普通の物理現象の範囲で理解しようとすると光は極めて不思議な性質を持っています。
しかし、観測結果をそのまま受け入れるだけでは理論的な進歩はありません。
光は観測の方法によって、つまり時間的な差を観測しようとすると波として性質が現れますし、局所的な影響を観測すると粒子としての性質を現します。
また、光の速度はE=mC^2と質量とエネルギーの変換定数となりますし、空間の物理現象の伝播速度と考えられます。

まさに光の性質を理論的に完全に理解できるなら高い次元で統一的な物理理論を構築することができるとになるでしょう。

補足

空間の物理現象の伝播速度は光の速さと考えられているのですか。

とすると仮想実験ですが、もし太陽まで届くようなテコがあって、こちらでそのテコを押すとその力が太陽に届くまで９分強かかるのですかね。一瞬に力が伝わるわけではなく光の速度分は伝わるのに時間がかかる。
そう考えてよろしいのでしょうか？

回答No.3

noname#175206

疑問に思われる点は解決してます。
　光は波であると同時に粒子です。このようなものを粒子的に見る場合、量子と呼んでいます。最初は光子を光量子と呼んでいました。いつのまにか量が抜け落ちました。扱う問題により、波的あるいは粒子的に取り扱います。
　光は波と扱う場合でも、媒体はありません。あらゆる慣性系から見て光速度は等しい点から、媒体はないと結論されました。これも受け入れるしかありません。

補足

ふむふむ光子ですか、しかし粒子だとすると部屋に光源を用意して真ん中にスリットが二つある壁でしきると反対側の壁にに光の干渉模様があらわれますね。この現象はどのようなメカニズムでおこなわれているのでしょうか？
　これは波の性質ですね。私は粒子は小さければ小さいほど、また速ければ速いほど波としての性質を併せ持つと聞いた事がありますが、そういうことなのでしょうか。光は粒子だが現在では確認できないほど小さくて、また光速というものすごい速さで飛び回るので波という性質をもつのかな？

回答No.2

orcus0930

たまに、この手の質問が出ますが、両方の性質を持ってるということを受け入れるべきです。

もうすでに、両方の性質を持っているということで、決着がついています。
未解決ではありません。

かつては、波動と粒子は相反するものとして、別々に発展してきました。
しかし、光や電子のように、両方の性質もつものが確認されたために、新しい分野を考えざるをえなくなったわけです。
それが量子論です。

両方持っているということが確認されたので、両方の性質をもつ量子というものを考えていくようになったんですね。

補足

なるほど、量子というものだとされているのですか。
しかし、わたしは電子には電気的性質とともに質量も確認されていると習いましたがその量子とやらには質量があるのでしょうか？

光が量子なるものだとすると、粒子の性質を持つことから実態はあるのかな？また波の性質を持つことから媒体はあるのかな？昔の科学者は光の媒体をエーテルなどと言いましたが、この議論は信憑性があるのかな。疑問は尽きることがありません。

やっぱり光は不思議です。

回答No.1

noname#111804

光は波動なのか粒子なのか？
有名なのではニュートンとライプニッツの論争があります。
現在でもこの点については不定だと思います。

補足

ん～、やはりいまだ解決されていない問題でしたか。
確か光を粒子だと言ったのはニュートンだったでしょうか。

そういえば光量子という言葉を聞いた事がります。光が粒子とするのは確かに一理あつと思います。日食のとき太陽の真裏にある水星が太陽より少しずらした位置に見えたのが観測されたことがあったらしいです。これは水星の光が太陽の重力の影響を受けて屈折した事を意味します。

この観測では光は粒子としての性質を示していますね。