光が電磁波として伝わると言うのは本当？

質問

光は電磁波であり振動しながら進んでいると言う説明が良くありますが本当でしょうか？
そうだとしたら、位相がずれた電磁波同士が干渉して強め合ったり弱くなることがあるはずですが、
例えば太陽や星からの光はあらゆる位相の光が出てくるので、逆位相の光が重なってほとんど真っ暗になると思うのですがそうならないのは何故ですか？
もしかして、たまたま重ならなかった光が届いていて実際の光ははるかに強いのでしょうか？
そうだとしたら光の強さに揺らぎが出てきそうですがそんなことも無さそうでよくわかりません。

回答No.9

leo-ultra · ベストアンサー

回答者２です。

延々と議論が展開されており、勉強になりますが、そもそも質問は
「太陽や星からの光はあらゆる位相の光が出てくるので、逆位相の光が重なってほとんど真っ暗になると思うのですがそうならないのは何故ですか？」
だと思ったのですが。

延々と議論が続いているのですが、私が回答２で指摘した点は考慮していただけないものでしょうか？

「太陽や星から出た光は熱的なもので、せいぜいマイクロ秒以下で途切れてしまう。
　つまり波束なのです。

　そうすると光路差がマイクロ秒ｘ光速を超えたものは干渉しないのです。
　光の波がマイクロ秒しか継続しないからです。」

これまでの議論では何万光年も光路差がついた光の干渉を議論されていますが、
そもそもそのような干渉は起こらないのです。

同じ星から、極端な場合は同じ原子から放出された光でも干渉しないのです。
だって、同じ原子から出た別の関係のない光だからです。

なにか私は考え違いをしておりますでしょうか？

お礼

その通りだと思います。
質問内容からわかるとおり、私も光は干渉しないと考えています。
そうだとすると光の干渉現象を、光が波として説明することはできないはずです。
それで波として光の干渉の説明が間違っていることを説明する方法が無いかと探している段階です。
量子論として説明する必要があると思います。

回答No.8

masaban

回答をすでに２つしましたが、付け加えます。
問＞位相がずれた電磁波同士が干渉して強め合ったり弱くなることがあるはずですが、・・
　＞例えば太陽や星からの光はあらゆる位相の光が出てくるので、逆位相の光が重なってほとんど真っ暗になると思うのですがそうならないのは何故ですか？

回答　光が受光面に捕らえられ熱に変化したり、加速され方向を変えた反射などに代表される作用のあったときだけ光は受光面で干渉し、強めあったり弱くなります。ただし上記に定義した作用のあった時だけ干渉するのです。

　ただ光どうしがそばを通ったり重なっても受光面で作用しない限り干渉はしません。光がとおっても、光の終点でない通路上、経路上では作用しません。作用が無いと干渉は起きません。

　それは同一レーザー光源から２手にわけて、とつレンズの焦点に投光しても焦点に重なったのに焦点から離れた受光面それぞれには２手別個に単一に送った時と、２手を同時に等量ずつ送った時とを比べて何の変化も起きないので、「光がとおっても、光の終点でない通路上、経路上では作用しません。作用が無いと干渉は起きません」と証明できます。２手に限らずいくら投光経路を多重にしても結果は同じです。

　とつレンズの２経路焦点通過の実験では同位相同色の光が２つ同量で足しあうならば２倍の光量を得るはずなのです。焦点で２倍の照度を得ることがエネルギー保存則の要請です。焦点の位置で受光し光量照度を確かめれば２倍になるでしょう。しかし作用の存在の有無から見直すと、焦点の位置で受光し作用を発生したときには、位相差Πで同色の光が同量で足しあうとき真っ暗の干渉が発生できます。そのときは波源の光源から受光面にエネルギーは送られていないことになります。それは矛盾ではなく波動エネルギーの性質の現れた現象にエネルギー保存則が働いているのです。エネルギー保存則が大原理基本原理だからです。

　もし干渉によって、経路の１か所であっても光量を弱めあうようなことがあるとエネルギー保存則という大原理に反します。光の流れは終着点以外の経路上ではどの断面でも毎時エネルギーの一定がエネルギー保存則から要請されています。暗い場所があると、そこに光のエネルギーが無い空間があることになり、光の伝搬に毎時エネルギー一定でない断面が生じて矛盾してしまいます。

　だから作用の無い経路上では干渉が起きないのです。

　ところで光が足されて何割か暗くなるという議論がほかの回答者や物理本にはありますが、エネルギー保存則に反した矛盾を犯して述べた誤りです。エネルギー保存則は基本原理なのです。

　宇宙の写真でロケットや、宇宙遊泳の飛行士や宇宙ステーションの姿を見たとき、太陽の光源からひなたにはさんさんと光が届いています。そのとき背景の宇宙は真っ暗で太陽の光は写真に写りません。真っ暗な部分は光の到着終点ではなく、まだ途上経路です。光は経路では何ら作用しないのです。
　写真に真っ暗なように光の経路では強い光源からの光でも、単一色であっても引きも足しも干渉せず作用しません。

問＞もしかして、たまたま重ならなかった光が届いていて実際の光ははるかに強いのでしょうか？

回答　上記のように光が足されて何割か暗くなるという議論がほかの回答者や物理本にはありますが、エネルギー保存則に反した矛盾を犯して述べた誤りです。エネルギー保存則は基本原理なのです。

問＞光の強さに揺らぎが出てきそうですがそんなことも無・・

回答　受光という作用が同時にない限り干渉は現れません。光の投射経路で、まだ光の終点でない通路上では作用しません。光の投射経路で、まだ光の終点でない経路上では作用しません。作用が無いと干渉は起きません。
光の強さに揺らぎが出て暗くなるとエネルギー保存則がみたされません。エネルギー保存則は基本原理だから、光の強さに揺らぎは生じません。

回答No.7

masaban

付け足します。
「ところでレーザー光以外の光では単色光ではありません。」を
「ところでレーザー光と、ダイクロイックミラー、回折格子で濾した以外の光では単色光ではありません。」
とします。
そのほうが正確なので。

回答No.6

masaban

問１＞光は電磁波であり振動しながら進んでいると言う説明が良くありますが本当でしょうか？

　進行方向に対して電界は直交し、同時に進行方向に対して磁界は直交し、瞬時の同時に発生した電界と磁界はまたお互いに直交していると数式は解けます。
　ある期間の観察について電界だけをみて電界の伝搬が作る面が曲面か、平面であるかは数式に現れません。磁界の作る面もある期間について出来上がる面が、曲面か平面かはわかりません。
　でも瞬間を比べると電磁波の解の関数は直交関係で振動しています。光波は進行方向に直交し進行方向に伝搬する波です。そして波動なのに伝搬の媒体を必要としていません。
　電子という物質の物質波、すなわち電子波も同じ結果になりそうです。

　波長の長さの数倍より送信アンテナから遠い距離に伝わる電磁波(通称では電波)の条件を遠方界と呼びますが、そこで伝搬する電界波と磁界波の位相は同相です。空間インピーダンスはおよそ377Ωになります。インピーダンスマッチングが良いと、電力が最大で送受信できるので、VHS周波数帯のテレビアンテナでは空間インピーダンスの値に近い、特性インピーダンス370オームのメガネフィーダーが使われました。例えば東京タワーから遠くの家のテレビにも番組が効率よくたくさんの家庭まで届くように設計されていたのです。

　遠方界の逆に送信アンテナから波長の長さより短い区域内の電磁波は近傍界と呼ばれます。近傍界では遠方界の電磁波の様子とは大幅に異なり、位相も、指向性も、空間インピーダンスも全く違います。でも違うという計算過程を私は見たことが無く、数式計算の確認と検証はしていませんが。

問２＞・・位相がずれた電磁波同士が干渉して強め合ったり弱くなることがあるはずですが、・・逆位相の光が重なってほとんど真っ暗になると思うのですがそうならないのは何故ですか？

　現代の物理は光について2枚舌を使っています。経路積分では光子どうしは相互間の作用をしないファインダイアグラムとしている・・？(私は物理学徒ではないから詳しくない)かもしれません。また光波という波動は伝搬上に光波相互間に干渉することができるというようなことも物理学徒は言います。
　しかし光波には伝搬路上で光波どうしが作用しない実証例、身近な実例があります。とつレンズの焦点では光波どうしが交差しますが、あとさき何事もなく集まった光は焦点を通ればまた広がります。
　現代の物理学は矛盾する立場を行ったり来たりするようです。矛盾を認め、再考するべきでしょう。回答2では後半でその考えを述べてみます。光波が波動であると、波動説を私は主張します。量子を許す2面性など全くありません。

　もし伝搬中のどの位置でも常に干渉することのできる波動なら質問者がおっしゃる通り、真っ暗になる可能性があります。

　なぜなら振幅と周波数が同じとして、位相だけがランダムに異なる波動が干渉しあったと仮定すると、常に逆相の波動相互が完全に打ち消しあうからです。でも実は伝搬中に、伝搬のどこでも光は干渉しないというのが現実です。後で説明しましょう。哲学してみてください。

　また伝搬時に干渉すると仮定して単色光のように周波数だけが同じとしたら、暗闇から改善する場合もあっていくらかは明るい可能性があるかもしれません。でも干渉で唸りがあるから伝搬経路途上では周期的に明暗が繰り返されるはずです。実際にそんな明暗繰り返し現象が存在しないので伝搬時に干渉しないことがわかります。

　ところでレーザー光以外の光では単色光ではありません。単色光でないとして重ね合わせるといくらか明るさが足しあわされるでしょう。そのような周波数帯域の広い光源では周期的な伝搬経路途上の明暗繰り返しが観察しづらくなるかもしれません。

　さて回答２の後半ですから約束の説明をします。その説明のためにまず宇宙飛行の話をしましょう。その宇宙飛行で光とはどんなものか考え検証してほしいのです。
　皆さんは宇宙飛行士が宇宙船外で作業をする写真や宇宙船と月や地球が写った写真をご覧になったことがあるはずです。思い出してください。
　太陽の光が唯一の光源です。太陽の光が宇宙飛行士や宇宙船で反射してぎらぎらと明るく写真に映っています。影は真っ暗です。そして背景の空、背景は空と宇宙ですが、真の暗黒に見えるはずです。

　宇宙の暗黒が写真に明確に存在します。検証してください。でも、その暗黒にも太陽の光は横切っているのです。写真の背景に光が横切っても明るく写りません。すなわち光は反射するときにしか光の姿を現さないのです。
　光を物体に受けると、熱として光の一部を吸収する作用があります。そして同時に反射する作用があります。

　光に作用が働くのは物体やスクリーンに光が当たった時だけです。伝搬途上では何ら作用が無いのです。

　もし宇宙で2経路の光線を交差させてみれば、交差点が背景と同じにそのまま暗黒です。したがって、交差点でも作用はなく、干渉も起きてはいません。
　改めて試験しなくても実証済みです。凸レンズの焦点に干渉も作用もないことが実証されています。そしてカメラや写真に、とつレンズが像を結ぶのは経路の異なる光線どうしの交点(焦点）に何も起きないからなのです。

　したがって宇宙の暗黒の背景が写真に残された現象を実証として、光波は伝搬経路の途上で加算干渉という現象をおこさないと証明できます。物理の学徒は哲学が足りず、矛盾していますから、再度修行するべきでしょう。

問3＞・・たまたま重ならなかった光が届いて・・光の強さに揺らぎが出てきそうです・・

　おっしゃる通りです。おっしゃる現象が起きていない、観察されないのです。すると重ならなかった光が届いたのではなくて、重なるような演算は伝搬中の光どうしの相互作用に存在しないと証明されます。

　ここで決定打として単スリットの干渉現象を述べましょう。
　単スリットというのはただの孔です。光源から単スリットを通りぬけてスクリーンに届いた光は干渉縞を描きます。それは波動だからです。
（参考urlあり）

　もし単スリットから光が作用を受けていれば、スクリーンには届かず遮られます。孔をこすった光があったとしても、とつレンズのように光の経路が交差したり近い経路に同時に通っても、伝搬中の光は相互に作用せず、したがって干渉も起きないのです。従来の量子説や2面性は単スリットの干渉を説明できません。

　単スリットの干渉は光が波動だから起きる現象です。波動は遮蔽物の端で回折という現象をおこし円周波、球面波を発生します。そのとき単スリットの孔の幅が光波の波長の数倍であると、スリット孔内の数点を原点に球面波を発生します。
　普通の空間を伝搬中の光では振動の伝搬方向が干渉を発生する方向に存在しません。数式を解けば明確なように光波には進行方向に直交し進行方向に伝搬する波しかなかったのです。
　ところが、単スリットでは球面波が新たに表れます。そして球面波によって単スリットの孔の端から端へ定在波が立ちます。その定在波が光源となってスクリーン上で干渉しスクリーンに干渉縞を描きます。

　太陽を見つめると眼を傷めますが、ためしに手をかざして、指の間から平行光線の強い光源を見てみてください。狭い隙間から単スリットの干渉が実証できます。隙間が細いと指の間に干渉縞が発生しています。
　これは孔の幅よりも長い波長の光が遮断され、かつ孔の幅が波長の整数倍のかつ5倍程度までの短波長による干渉が網膜に発生したのでしょう。人間の目は400ナノメートルから7５0ナノメートルまでしか見えないので、可視光より短い短波長の光は感じることができず、干渉縞は互いに平均化して消えるほど重ならないで眼に見えるのです。

　どうでしょう。理解していただけましたか。物理学徒の皆さんにも考えていただきたいことです。

参考URL：

http://fnorio.com/0013grating1/grating.htm

回答No.5

foomufoomu

＞全体的には打ち消しあって暗くなると考えて良いでしょうか？
私の回答、ちゃんと読んでますか？

合成の結果、周波数が同じで位相が違う光は、全体の1/3は暗くなりますが、残り2/3は明るくなります。
また、周波数の違う光は、位相に関係なくすべて明るくなります。

無数にある光のうち、周波数がまったく同じで、位相が1/3の範囲内にある光は、そうでない光と比較して、どれぐらいの割合になりますか？

補足

よく読んで考えたつもりですが説明不足で申し訳ありません。
ものすごく強くなればあらゆる周波数で位相の違う光が重なることになると言う意味でした。

実際の確認方法として、例えば一定周波数のレーザーポインターを１００個以上集めて偏光フィルターを通して、充分遠くから一点に集まるように照射すると暗くなると言うことで良いでしょうか？

回答No.4

foomufoomu

＞例えば太陽や星からの光はあらゆる位相の光が出てくるので、
＞逆位相の光が重なってほとんど真っ暗になると思うのですが

あらゆる位相の光は、一部は干渉して暗くなりますが、一部は加算されて明るくなります。

たとえば、２つのsin波の振幅と周波数が同じで、位相のみ違う場合では
暗くなるためには、位相差が180°±60°の範囲でないといけません。つまり、全体360°のうち1/3は合成で暗くなりますが、2/3はより明るくなります。

太陽の光は、あらゆる位相だけでなく、広い範囲の周波数にも分布しています。周波数の異なるsin波の合成では、ごく近い周波数の場合、うなり現象で強くなったり弱くなったり変化することがありますが、長時間の平均では必ず強くなります。

なので、放送電波のような意図的に作られた信号以外では、普通、干渉して暗くなることはないのです。

補足

確かに２つの光が干渉した場合はそうです。
では太陽に近い場所で、とんでもない量の光があって１００～１０００の光が重なってしまうと位相の違う光が全体的には打ち消しあって暗くなると考えて良いでしょうか？

回答No.3

noname#212313

>例えば太陽や星からの光はあらゆる位相の光が出てくるので、逆位相の光が重なってほとんど真っ暗になると思うのですがそうならないのは何故ですか？

　確かに光はランダムな波の集まりであり、逆位相を考慮すると光源から光が出て来なさそうな気がしてきます。

　しかしよく考えると、弱め合う逆位相があるだけでなく、それと同じだけ強めあう同位相があります。すると差し引きゼロで影響がないことになります。だから光は明るいままで届き、真っ暗にならないのです。

回答No.2

leo-ultra

太陽や星からの光は熱的起源によるものです。可干渉時間はマイクロ秒以下で短いです。

量子力学でいう上準位から下準位への遷移に要する時間のことです。

つまり、光は波として伝わるというより、波束として伝わるため、
ご指摘のような干渉が気になるほど起こらないでしょう。

でも波束の幅はマイクロ秒以下でも、光の振動数の逆数の周期はフェムト秒以下なので、
ひとつの波束にたくさんの周期が含まれるので、「波で伝わる」という描像はそれほど間違いではないでしょう。

回答No.1

t_ohta

光も電磁波の一種です。
干渉も起きますが、波長が極端に短いため通常では見えないくらい細かい間隔で起きているのです。
条件が整えば、いろんな形で干渉の様子が見られます。

http://web.canon.jp/technology/s_labo/light/001/04.html