初歩的です（光の波について）

質問

物質波の「波」というのはその粒子の存在する「確率の波」というふうに勉強しましたが、光も波と量子の両方の性質をもっています。そこで質問なんですがその光の波というのは何なのでしょうか？光のどのような波なんですか？よく教科書には光子が波うってる図がありますがあんなイメージでいいんでしょうか？いろいろ考えてると波そのものがわからなくなってきて気持ち悪くなってきました。誰か助けてください。光の波とはどのようなイメージが最適なんでしょうか？

回答No.5

noname#11476 · ベストアンサー

光が電場と磁場が直交する方向に交互に振幅し、更にもう一つの直交する軸方向に進む波であることはご存じですね。
空間は３次元なのでそれぞれｘ，ｙ，ｚ方向を割り当てて下さい。
（厳密には真空中のときには成立しますが、物質中だと異なることもあります）
これは、とてもイメージしやすいし、現にそのように進みます。

量子力学で言う波はあくまで存在する確率を表します。
光が粒子として振る舞うとき、この波がどのようになるかという問題と考えるとわかりやすいでしょう。
簡単に光の電場だけ取り上げて考えてみます。
光の電場をどんどん弱くしていきます。（つまり光の強さをどんどんと弱くする）
すると、ある一定の大きさ以上に弱くなると、それ以上は電場がゼロ（つまり光なし）かある最低の大きさの電場の光かのどちらかの状態しかとれなくなります。
（厳密には電場ではなくてエネルギーなのですが、まあこの際その違いは気にしないことにしましょう。）

これが光の粒子的な振る舞いで、そこに光の電場があるのか無いのかを記述するのが光の量子化であり、量子力学で言うところの確率分布になります。

このような振る舞いは実際に、フォトンカウンティングと呼ばれ実際に実験によりそうなることも確かめられています。
（非常に高い感度の光電管を使い測定します。）

量子力学を習うと、ものの実体以外に存在確率の波というわかりにくいものが出てくるのでイメージしにくくなりますが、結局はある瞬間に時間を止めて眺めてみるかぎり古典的な考え方でイメージできます。

では。

お礼

詳しいご説明ありがとうございました。

＞これが光の粒子的な振る舞いで、そこに光の電場があるのか無いのかを記述す
＞るのが光の量子化であり、量子力学で言うところの確率分布になります。

つぼをつかれた気分です。やっぱり聞いてみるもんですね。どうもありがとうございました。

回答No.4

keronyan

波の方から考えると
光の波はふつうの横波と違ってその振幅方向の直角方向にも振動しています。
光も電磁波ですので、電場と磁場の変化が交互に現れて伝搬します。
電場の変化が有れば、その変化率に従って磁場が変化します。そしてエネルギーはその磁場の変化に変わっていきます。
そして、生じた磁場の変化がさらに電場の変化を誘起する、、、、
と言うことでどんどん場の変化が波のように伝搬します。
電場、磁場両方をイメージするのは難しいと思います。
たとえば電場の変化だけを考えると通常の横波と同じような感じで伝搬します。
（だからふつうの波をイメージされればさほど違いはないと思います。だけど、伝搬の仕方は海の波とは先程述べたように単純ではありません。）

波は有る物が移動しているのではなく、その場がエネルギーを伝搬しています。（波にあおられる船は上下には揺れますが位置は変化しません。）

さて、波が何かにぶつかってそれにエネルギーを移す時、通常の波はザバーと当たったところすべてでエネルギーが移ります。
たとえば津波に遭うとそこにあった家だろうと人だろうとみんなダメージを受けますが、
光の場合はその中のいくつかに確率的に一定のダメージを与えてしまいます。
そのエネルギーは振動数とプランクの定数をかけた物になっています。
つまり、そのエネルギーを持った固まりとして物にぶつかるのです。

何かにエネルギーを与えない限り（個々の粒子の位置を特定しない）波として観測できます。
波を何かで測ろうとすると粒子的な振る舞いを示します。
しかし、両者は一緒には発現しません。
だから粒子的な物が飛びながら波のような現象が起こると考える必要はありません。
波の時は波として見ている分にはおかしな事は余り観測できないと思うので、特殊なイメージは必要ないのではと思います。
（見てる分にはです。それで何か物理現象を追いかけると、粒子としての特性も考えないといけなくなる時有ります。）

お礼

詳しいご説明どうもありがとうございました。私は波のことだけを考えていてその原因になる電場、磁場のことを深く追求してませんでした。なるほど頭のもやもやが消えた気がします。どうもありがとうございました。

回答No.3

tnt

個々の粒子については、横に振動しながら高速で直進するもの

粒子の集合体については、いろいろな振動状態の粒子が混ざったもの
（これが確率の波）

全体としてみると、振動で生じた粗密波
（電界と磁界の図など）

こんなところでどうでしょう。

お礼

回答ありがとうございます。なんとなくですがわかりました。

回答No.2

creol

工学専攻の大学院生です。

その昔、ぼくも気持ち悪くなりました・・・。
どないなっとんねん！っと叫びそうでした。いや、叫んだ・・・。
そんな事より回答です。

波には縦波と横波とあります。縦波は音波のようなもの。横波は光とかです。
どう違うか？縦波は、波の成分の動く方向が１つで、横波は２つあります。

電磁気学などの教科書には、電界と磁界がうねうねなってる絵がよくあります。
あれがいいイメージと思います。
言葉で説明すると、SinもしくはCosのグラフのとおりです。
でも、実際レーザー光などを見ると波のくせに直線です。
ですので、波の性質はあるものの光とは直進するものという捉え方がいいのではないでしょうか。

これは回答ではないですね。アドバイスにしときます。

お礼

回答どうもありがとうございます。やっぱ教科書どうりのイメージでいいんですね。電界と磁界のことを意識してイメージすればなんとなくイメージも湧きました。どうもありがとうございました。

回答No.1

o-totoro

ご期待の回答ではないかもしれませんが・・・
偏光サングラスなどを考えると、光も波打ってるんだと想像できないでしょうか？
または、目で見る「色」を考えた時、光に波長があると思うのは私だけかな？

お礼

即答ありがとうございます。確かにそう考えるとイメージしやすいですね。ということは物質波の「波」と光の波では本質的に違うということでいいんでしょうか？