Curious Kids: 光は波なのか、それとも粒子なのか?

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光は波なのか、粒子なのか?- Ishan、15歳、ドバイ

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こんにちは、Ishan! 素晴らしい質問をありがとうございます。

光は、波としても粒子としても記述することができます。特に、光の二重の性質を明らかにした2つの実験があります。

光が粒子でできていると考えた場合、その粒子は「光子」と呼ばれます。光子には質量がなく、1つ1つに特定のエネルギーが込められています。一方、光が波のように伝わっていくと考えると、これは電磁波の波です。電磁波には、他にもX線や紫外線などがあります。

光は、波であろうと粒子であろうと、常に秒速約30万キロで伝わっていることを忘れてはならない。宇宙(または他の真空)を通過する光の速度は、私たちが知る限り、宇宙で最も速い現象です。

二重スリットの実験

あなたがテニス ボールの入ったバケツを持っていると想像してください。目の前2メートルのところに、2つの穴が開いた固い板があります。そのパネルの1メートル後ろには壁があります。あなたは、それぞれのボールに赤い絵の具をつけて、片方の穴に向かって投げます。うまく投げられれば、後ろの壁に赤い跡が残り、丸い点の特定のパターンが残ります。

壁に向かってボールを投げると、狙いが正しければ、ドットのパターンができます。提供:著者

さて、穴の開いたパネルに、テニスボールと同じ軌道で一筋の光を照射したとします。光が粒子のビーム、つまり光子のビームであるならば、光の粒子が壁に当たったところに、テニスボールが作ったのと同じようなパターンが見られるはずです。

しかし、実際にはそうではありません。その代わりに、複雑な縞模様が見えます。なぜでしょう?

それは、この状況では、光が波のように作用するからです。穴に光を通すと、光は2つのビームに分かれます。その結果、2つの波はお互いに干渉して、強くなったり(建設的干渉)、弱くなったり(破壊的干渉)します。

1つの光の波が2つに分かれ、「干渉縞」と呼ばれる現象が発生する。提供:著者

この波が格子状になり、壁に縞模様ができます。上の画像では、波が合流した部分の縞模様が大きく、明るくなっています。縞模様の間の隙間は破壊的干渉の結果であり、縞模様は建設的干渉の結果です。

光電効果について

上記の実験は、光が波として振る舞うことを示しています。しかし、アルバート・アインシュタインは、光をエネルギーの個々の粒子である「光子」で構成されていると説明できることを示しました。これは、「光電効果」と呼ばれるものを説明するために必要です。

金属の板に光を当てると、金属は電子という電荷を帯びた粒子を放出します。これが光電効果です。

アインシュタイン以前の科学者は、光は波であると仮定して光電効果を説明していました。その理由を理解するために、池の波紋を想像してみてください。波紋には、上昇する山と、下降する谷があります。

ここで、池の中にレゴの兵士が乗ったボートがあるとします。波紋がボートに到達すると、兵士たちを投げ飛ばす可能性があります。波紋が持つエネルギーが大きければ大きいほど、兵士が投げ出される力も大きくなります。

そして、それぞれの波紋が兵士を投げ落とす可能性があるので、ある制限時間内に船に到達する波紋の数が多ければ多いほど、その間に投げ落とされる兵士の数も多くなると予想されます。

光の波にも山と谷があり、同じように波打ちます。光の波動理論では、これらの波動は光の2つの性質、すなわち強度と周波数に関連しています。

簡単に言えば、光の波の周波数とは、一定期間に空間の一点を通過する山の数のことです(一定時間内に一定数の波紋が船に当たるようなものです)。また、強度は、波のエネルギーに相当します(池の波紋の一つ一つが持つエネルギーのように)。

19世紀の科学者たちは、金属の板の上の電子が、私たちのいかだの上のレゴの兵隊と同じような動きをすると考えました。光が金属に当たると、その波紋によって電子が投げ出されるはずです。

強さ(波紋のエネルギー)が大きければ大きいほど、電子は速く飛び立つと考えられました。特定の時間内の周波数が高ければ高いほど、その時間内に投げ出される電子の数は多くなる、というわけですね。

しかし、実際には全く逆のことが起こっているのです。電子が飛び出す速度を決めるのは、金属に当たる光の周波数なのです。一方、光の強さ、つまりエネルギーの大きさが、実際に飛び去る電子の数を決めるのです。

アインシュタインの説明

アインシュタインは、この奇妙な観測結果に対して素晴らしい説明をしました。彼は、光は粒子でできており、実際には波ではないという仮説を立てました。そして、光の強さをビーム中の光子の数に、光の周波数を各光子が運ぶエネルギーの大きさに関連付けました。

光子の数が多ければ(強度が高ければ)、光子と電子の衝突回数が多くなり、より多くの電子が放出されることになります。このように、光の強さは、電子が飛び立つ速さではなく、放出される電子の数を決定します。

光の強さ、つまり金属板に衝突する光子の数を増やすと、発射される電子の数も増えることになります。提供:著者

光の周波数が高くなり、各光子がより多くのエネルギーを持つようになると、各電子も衝突からより多くのエネルギーを得て、より速く飛び出すようになります。

この説明により、アインシュタインは1921年にノーベル賞を受賞しました。

波動か粒子か?

以上のことを考えると、一つの疑問が残ります。光は、ときどき粒子のように見える波なのか、それとも、ときどき波のように見える粒子なのか。これについては意見が分かれています。

私は、光はある条件下で粒子のような性質を示す波であると考えています。しかし、これはまだ議論の余地のある問題であり、私たちを量子力学のエキサイティングな領域へと導いてくれます。皆さんもぜひ、ご自分の考えを深めてみてください。

画像はPexels/João Jesusの提供です。

この記事は、クリエイティブ・コモンズ・ライセンスの下、The Conversationから転載されています。オリジナルの記事を読む

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