０−２．光は波ってよく言うけど．．．

　光というのはもちろん皆さんが普段「感じている」身近なもののように思いますが、ここでは改まって「光の正体って一体何でしょうか？」という事について触れましょう。よく「光は波だ」とか、あるいは少し物理をかじった人なら「いやいや、光は粒子性も持ったものだ」という事を聞いた事があるかもしれません。では「粒子」はともかく、「波」って一体何のこと？

　とりあえずここでは波の例として水面に石を落とした時に生じる水面の波を考えます。ここで皆さんが「波」として捉えているのは

１．水面の高さが周期的に上下に振動して、
２．その上下する様子が外へ外へと拡がっていく

現象ですね。ここに「波」の性質が現れている訳で、すなわち波とは

現象を指すのです。よくよく思い返すと、波という言葉が比喩的に使われる時でもやはり上のような特徴を持っていますね。では光では何が振動しているのでしょうか？　実は歴史上これは長い間なぞになっていた問題で、部分的に明らかになったのは19世紀になってからです。ずばり、その正体は「電場と磁場」です。光とは「電場と磁場が振動し、それが伝わっていく電磁波の一種」なのです！

　ここで「なんじゃそりゃ？　よく分からん！」となっても不思議はないですね。「電場」「磁場」という言葉は高校で物理を学んだ人は聞いた事があるかもしれません。「静電気を帯びた物体（電荷）がぽつんと置かれると、そのまわりに電場が生じる」という事を高校の電磁気の授業で教わりますが、その電場です。さらには電場のあるところに別の電荷を置くと、新しく置いた電荷に力がかかる、これが電気の引きあう、あるいは反発しあう力（クーロン力）です。まあ、いってみれば電場というのは「電気がつくるオーラみたいなもの」と捉えていただければ結構です。「磁場」というのは、磁石がある時に磁石のＮ極とＳ極から出てくるやはりオーラのようなものです。２つの磁石が近くに置かれると、互いにくっつこうとしたり、離れようとしたりしますが、これも「１個の磁石が磁場を作り、もう一方の磁石はその磁場の影響を受けて力を受ける」と考えてよいのです。光はこの、振動している電場と磁場であるというのがまず答えになります。（ちなみに磁気というのは電気と密接に関係したものなのです）そして光の「波長」というのは電場や磁場が「どれだけ進めば元に戻るか」という長さの事です。

　さて、光は電場と磁場が振動しているのだというと、「昼間は光で満ちあふれている。夜も明かりがこうこうと照っている。この空間で目に見えない電気や磁石であふれているのか？それにしては静電気を感じるのは乾燥した時だけだが．．．」と思う人がいると思います。でもそうではないのです。光は電場や磁場の振動であって、電気や磁石ではないのです　？？？　では電場や磁場というのは何もないところにも生じうるのか、というとそうなのです。この電場や磁場というのは電気が無くても起こりうるものなのです。物体の運動方程式はニュートンの方程式として知られていますが、電気や磁石の振舞いを決めるものは「マクスウェルの方程式」として知られる４つの方程式です。これは理系の大学生は殆どの人が学ぶものですが、この方程式で電荷と磁石（正しくは電流）の大きさを０として解いても、電場や磁場は０になるとは限らず、それらが時間的、空間的に振動する解（答え）が出てきます。これが電磁波、光なのです。まあこのように光の正体はちょっと複雑ですから、あるいは１９世紀までよく分かっていなかったのかもしれません。反射、屈折とか回折といった現象は以前から知られていましたが。

　ではこれで終わりか、となるとそうではなく、２０世紀に入って大どんでん返しが起きました。ここまで読んだ人で「光っていうのは光の粒が集まっていると思っていたけど違ったのか？」という人がいるかもしれませんが、実はそれは歴史的に一度間違いとされながら、２０世紀に入って必ずしも間違いではない、という事が分かったのです。　事の発端の１つは「光電効果」という現象で、これは私たちの研究室の研究内容と密接にかかわる現象です。これは右図のように物質に光を当てると物質から電子が飛び出してくる現象で、１９世紀には知られていたのですが、変な性質があります。それは物質にもよりますが、「ある波長よりも長い光を当てるといくら照射しても電子は出てこない」ということです。普通に考えれば当てる光を強くすれば出てきそうなものですが、波長の長い光を当てるとどうしてもダメで、ある波長よりも短い光を当てないと電子は出てこないのです。この現象について、アインシュタインは「光は波長で決まるエネルギーを持った粒子の集まりとも考えられ、一つの光の粒（光子と言います）のエネルギーはある定数（プランク定数）を波長で割ったものだ」と考えました。こう考えると波長が長いほど１つ１つの光子のエネルギーは小さくなるので、光電効果が「光子と電子の間のエネルギーのやりとり」と思えば、あるしきい値よりも低いエネルギーの光子では電子を物質の外に飛びださせることはできないわけです。これを光量子仮説といい、アインシュタインがノーベル賞を取った業績です。実は光は光子という粒子としても考えられる事が分かってきました。