光の科学 — 光は波なのか、粒子なのか

私たちは、光そのものを見ることはできません。

見えているのは、光が何かに当たって目に届いた「結果」です。スープが白く見えるのも、リンゴが赤く見えるのも、私たちが直接その色を見ているわけではなく、光がそこに反射・散乱して目に届いた結果を脳が「色」として解釈しているにすぎません。

では、その光とはそもそも何なのでしょうか。

光は電磁波である

光の正体は電磁波です。波、という言葉から海の波を連想しがちですが、性質はまったく違います。海の波は水という「媒質」が上下に揺れて伝わりますが、電磁波には媒質が要りません。空間そのものの中で、電場と磁場が互いに直角に振動しながら伝わっていく現象が電磁波です。真空中でも伝わるのはこのためで、太陽からの光が何もない宇宙空間を渡って地球に届くのもこの性質による。

波である以上、光には波長(振動の周期の長さ)があります。人間の目に見える光、いわゆる可視光線は、おおよそ400ナノメートル(紫)から700ナノメートル(赤)の範囲の波長を持つ電磁波です。この範囲より波長が短ければ紫外線、長ければ赤外線になり、どちらも人間の目には見えません。

ところが、粒子のようにも振る舞う

19世紀まで、光は波だと考えられていました。ところが20世紀初頭、この理解では説明できない現象が次々と見つかります。代表例が光電効果です。金属に光を当てると電子が飛び出すのですが、光の「強さ」をいくら上げても、ある波長より長い光では電子は飛び出しません。波としての性質だけでは説明がつかない現象でした。

アインシュタインはこれを、光がエネルギーの塊(量子)として金属にぶつかっていると考えることで説明しました。この光の粒を**光子(フォトン)**と呼びます。光子1個が持つエネルギーは波長によって決まっており、波長が短いほど1個あたりのエネルギーは大きくなります。光電効果で電子が飛び出すかどうかを決めるのは、光の量(強さ)ではなく、光子1個あたりのエネルギー(波長)だったのです。

波でもあり、粒子でもある

つまり光は、

• 空間を伝わるときは波として振る舞い、
• 物質とエネルギーをやり取りするときは**粒子(光子)**として振る舞う。

という、一見矛盾した二つの顔を持っています。これを波動粒子二重性と呼びます。日常の感覚では「波」と「粒」は両立しないように思えますが、量子力学の世界ではこれが自然な姿です。どちらか一方が"本当の姿"で、もう一方が比喩というわけではなく、光は状況に応じてどちらの性質も現す、というのが現時点で最も正確な理解です。

なぜこの話がスープの白さにつながるのか

光が波として振る舞うからこそ、光は物質中の小さな粒にぶつかったときにあらゆる方向へ進路を変えることができます。この現象が「散乱」で、豚骨スープが白く見える直接の原因になります。散乱の詳しい仕組みは、散乱の科学(チンダル現象)で扱います。

一杯のスープの白さの奥には、20世紀初頭に人類がようやく捉えた光の二重性が横たわっています。