光が屈折する根源的な理由

質問

屈折率(誘電率)を定義すると光の屈折は説明されるということは高校生でもわかります。

では、なぜ屈折が起きるか細かく説明できる方いますか？

回答No.15

有木 巨智麿（@kothimaro）

光には、屈折と言う特有の現象が起こる。空気・水・ガラス等透明な物質中を、光は進むことが出来る。それぞれの物質により、その中を通る光の速度は異なる。物質のない真空中を進む光の速度が一番速い。そして、一番原子が規則正しく詰まっているダイヤモンドの中を通る光の速度が一番遅い。
　物質には光が進むのに抵抗となる力が働いている。光も電磁波の一種であり、電磁波同士は反発し合う。電荷を帯びた電子や陽子は、電磁波を身にまとっている。その電磁波と光とが反発し合い、光の速度は遅くなる。
　光の屈折は、光が空気中から水の中に進んだ時や、ガラスの中に進んだ時に見られる。ダイヤモンドの屈折率が一番大きく、光は鮮やかな虹色となる。紫など波長の短い光の方が、赤い光など波長の長い光よりも良く屈折する。以下で、光が屈折する仕組みを考察する。

　光は、らせん状の回転をしながら進んでいる。空気中は抵抗が少なく、光は速く進む。水中では抵抗が大きく、光の速度は遅くなる。光が空中から水中へ進んだ時、真っ直ぐには進まず、左の様にθだけ屈折する。

　光が空中から水中に入る水面では、右図の様に、らせん回転をしている光は、赤の輪に部分が、空中と水中双方を進むこととなる。水中にある下部は抵抗が大きい。従って、左下図の様に、らせんの間は詰まる。空中にある上部は抵抗が小さい。従って、左上図の様に、らせんの間は広がる。赤の輪の部分は、曲がるストローの様になり、光は水の方向に曲がる。

　水中から空中に光が出る場合も、水中の方の輪が詰まり、水の方に光は曲がる。水中に入る光の軌跡と、水中から出て行く光の軌跡は同じ屈折した線を描く。光は、抵抗の大きい物質の方向に屈折する。
　波長の長さに関らず、光の速度は一定である。光は、一回水中と空中を行き来する度に、一定角度屈折する。従って、光の波長が短く、赤い部分の輪の数が多い程、屈折率は大きくなる。
　赤い光の波長は0.00007cmである。それに比べて、紫の光の波長は0.00004cmである。従って、波長の短い紫の光の方が、波長の長い赤の光より、水中と空中双方を通過する赤い部分の輪の数は1.75倍多い。よって、紫の光の屈折率の方が大きくなる。
この様に、光の屈折は異なる物質の境の面の側に曲がります。水中から光が出る時も同じです。コインから発した光は、水中から空気中に出る際、水面の方向へ屈折します。従って、光の水面に対する角度は小さくなり、実際にはコップの底にあるコインも、コップの中ほどにある様に見えるのです。

お礼

ありがとうございました。

なぜ光が遅くなるのですか？

なぜ質量ゼロの光子に「力」がかかるのでしょうか？
これは詭弁であることはF=maという古典論から明らかです。

回答No.14

s_hyama

素過程をしったところで、入射角によって電磁波の両輪の片輪に対しての抵抗が変わって、屈折する原理には変わりがないのではないでしょうか？
車の片輪がぬかるみに嵌って方向をかえるようなもんです。

お礼

ありがとうございました

回答No.13

中村 拓男（@tknakamuri）

＞できれば素過程の方が知りたいです。

とすればキッテルかな～。ただ、格子振動の集団的で実験的に求めた振る舞いでも不満足とすれば
光がなぜ伝わるかをミクロに述べた理論が必要そう。気体分子運動論みたいな組み立てが必要そうだけど
そのへんはよく知らないですね。

お礼

よく的確な回答なされている方がそう仰るならば無理ありません。

ご回答ありがとうございました。

回答No.12

ORUKA1951

No.7,No.11です。
＞ざっとリンク先を見ましたが、結局現象論ではないですか
　回答を読んでませんね。

　科学は、あくまで、現象論なのです。
「その現象をどう説明すれば矛盾なく説明できるか？？」

【引用】＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿ここから
自然科学
　自然科学（しぜんかがく、英語：natural science）とは、
・自然に属するもろもろの対象を取り扱い、その法則性を明らかにする学問。
￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣ここまで［自然科学 - Wikipedia( http://ja.wikipedia.org/wiki/%E8%87%AA%E7%84%B6%E7%A7%91%E5%AD%A6 )］より

　それ以上でもそれ以下でもありません。

　科学に携わっていない人に、科学を「信ぜよ!さらばすくわれる」の宗教などと混同される人が多いです。
No.11より
＞＞なぜ宇宙がそのようになっているかは科学ではなく、信仰や哲学の世界です。

　科学は、所詮現象論です。科学で言う「なぜ？」は、「根源的な素過程」は説明してきませんでした。
　ここは哲学ではなく、物理学と言う科学を問う場所です。

　あなたの質問は、哲学板で質問されたほうが良いでしょう。

お礼

別に哲学でもないですけど。

私は素過程の素粒子物理学的説明があったのを何処かで見た記憶があるので、こういう質問をしただけであって、勝手に哲学的に解釈される筋合いはないと思っています。

仮にも物理学のカテゴリーで質問していますので、物理学的な説明をなさってくれれば結構です。

数理論理学も勉強はしていますので、仮定→定理→演繹→…は理解しています。
ですので、高校生レベルの子供だまし(ホンヘイスの原理は光量子の概念、実証から厳密には破綻している)には特段興味がありません。
いわゆる古典論には興味がありません。というのが質問文の主旨です。

回答No.11

ORUKA1951

No.7です。
＞その原理をカバーする、より根源的な素過程について説明願います。
まず、基礎知識として
→ Maxwellの方程式と電磁波( http://www.th.phys.titech.ac.jp/~muto/lectures/Gelmg06/Gem_chap13.pdf )

　科学は哲学とは違う「根源的な素過程」・・・難解な言葉を並べたら、ひとつひとつの言葉を定義しないと会話が成り立たない。科学を志す人が決してしてはならないこと。

　昔々、「なぜ、セコイヤスギのような高木は１０数メートルを越える高さまで水を吸い上げることができるのか？」と聞いたら、「そのほうが位置エネルギーが小さいから」と答えられた大先生がいらっしゃいました。・・・何の説明にもなっていない、煙に巻いただけ(^^)。でもとなりに据わっていた子「ふむふむ、なるほど」と納得してました。

　優しい言葉で、分からない事はここが分からない分からないと聞きましょう。分からないことが分からないのじゃないかと・・。

　電磁波の性質を説明することはこのように科学で説明きますが、
　￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣
　なぜ宇宙がそのようになっているかは科学ではなく、信仰や哲学の世界です。

　なぜ、万有引力で通常観察できる範囲の重力については説明できます。
　それを越えたものは相対性原理で説明できます。
　いずれ統一場理論で相対性原理も説明できるようになるでしょう。

　しかし、なぜ宇宙がそのように出来ているかは科学の範囲ではありません。

お礼

ではなぜ屈折するのか？
という問いに対して、ミクロな細かい説明ができますか？というのがこの質問の本位であると、わかる人ならわかるはずです。

補足

ざっとリンク先を見ましたが、結局現象論ではないですか。

回答No.10

leo-ultra

> 確かにキッテルにはそのようなことがあったような気がします。
> しかし「根源的」とは言い難いようです。

> できれば素過程などの詳しい資料があればいいんですが。。。

なにを示せれば「根源的」なのかが、よくわかりませんが、どうも私には荷が重いようです。

この話は二つに分けることができると思います。
１）物質中の光の速度は真空中（大気中？）より遅くなる。

２）物質中の光速が真空中（大気中）より遅い場合、光が固体に斜め入射した場合、
　　光路差ｘ伝播速度の差の関係で、真空中での入射角と物質中での進入角が異なる。（つまり屈折）

１と２のどちらが部分が自明ではないですか？

僕は１）が自明でないのだと思って回答してました。

資料ということで、J.J. Hopfield, Phys. Rev. 112, 1555 (1958)を挙げておきます。

あくまでもこの論文は、物質（非金属結晶）中で、光と励起の混成波ができることを示しているだけです。論文中に書かれている混成波の分散関係から、物質中の光の速度が真空中より遅くなることが
言えると思います。

お礼

あ、とりあえずありがとうございました。

詳しい資料等がありましたら、追って回答お願いします。

補足

申し訳ありませんが、APSの会員でもないので論文はアブストラクトしか読めませんでした。
この論文については、幾許かの興味があります。

回答No.9

uen_sap

なにかもめているようですが、何を聞きたいのかキチンと説明できていないからです。

媒質が異なれば、波長（速度）が異なる。これで屈折する、で理解できませんか？

真空中を走る光Aの隣に光Bが走っているとします。
これが、異なる媒質の中に入っても、AとBはとなり同士を走ります。
Aが先行するようなことはありません・・・そういう力が働いていない。
そうすると、屈折するしかないですよ。

この説明を理解できれば、自分が尋ねたいことをもう一度見直して下さい。
その上で、別の言葉で再質問しましょう。

お礼

すみませんが、「なぜ媒質を導入したから屈折するのですか？」も含まれます。

現象を論じるのではなく、なぜ？が知りたいのです。

補足

非常に端的に書いてますが、
＞屈折率(誘電率)を定義すると光の屈折は説明されるということは高校生でも(高校生ですら)わかります(のでそんな回答を必要としていません)。

という意味です。

根源的というのは、物理学をやっている人なら必然的に素過程に行き着くと思われますが。

それとも、今までの回答者はグースヘンシェンシフトの逆過程のような意味で屈折を説明しているのですか？

回答No.8

htms42

光の屈折を屈折率を使って現象論的に説明するという例を出していながらそれよりも一段深い速さの違いによる説明を「高校生向きの説明は求めていない」として拒否するというのはちぐはぐですね。
屈折率は屈折が起こりさえすれば決めることができるものです。ニュートンの粒子説、ホイヘンスの波動説のどちらにもあてはめることができます。でも速さは逆になります。ニュートンの粒子説では媒質の中での方が速いのです。水中での光の速さの測定に成功したことによってニュートンの粒子説が最終的に否定されたのです。
最近また光の粒子説を単純な形で復活させただけの文章を見ることがよくあります。媒質の中では光の速さが遅くなるという事実がどれほど大きな意味を持っていたのかが理解されていないようです。
こういうことはすべて承知しているということでの質問であれば質問文が不適切です。何が問題なのかをもう少しわかりやすく書くべきです。ディラックを引用していますがディラックの文章がわかるような程度の人であればこういう質問文を書くというのは不思議ですね。

お礼

私は屈折という事実がなぜ起きているかを知りたいから質問しました。
これはタイトルの一言に集約されています。

回答No.7

ORUKA1951

光の波動性の側面を、回折、屈折と言う現象があらわしてます。
上方向から斜めに進行する波が進んできたとき

/ / / / / /　波の一般的な性質は、[速度] = [波長]×[振動数]でした。
／／／／／　　[波長] = [速度]/[振動数]　も同じ

　ここで波の進行方向とは何かを理解しておかないと、
　波の進行方向は、波面に対して直角な方向で示されますので、その→をこの波面に書いてみてください。
　それが屈折の意味です。

　誘電率によって波の進行速度の伝わる速度が変わりますから、結果的に屈折が起きる。
ホイヘンス＝フレネルの原理( http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%9B%E3%82%A4%E3%83%98%E3%83%B3%E3%82%B9%E3%81%AE%E5%8E%9F%E7%90%86 )
屈折 - Wikipedia( http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%B1%88%E6%8A%98 )

　高校生レベル以上の回答を求められているようですが、残念ながら高校生・中学生レベルの基礎が出来ていないようです。【嫌味ではなく、本当にそう感じます。】
スネルの法則( http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%B9%E3%83%8D%E3%83%AB%E3%81%AE%E6%B3%95%E5%89%87 )
　→4 光波への発展

　を読まれると期待の回答に近いかもしれませんが、言っている事は「波の進行速度は媒質に依存する。」という【原理】です。【原理】は至極簡単なようですが、それを馬鹿にしてはいけません。

お礼

その原理をカバーする、より根源的な素過程について説明願います。

回答No.6

中村 拓男（@tknakamuri）

分極の仕組みを知りたいという話でしょうか?

お礼

できれば素過程の方が知りたいです。