質問: 波って何? 音、光、電波、これって皆、波ですよね!でも、これってただ周波数が違うだけなの?それから、たとえば水面の波は目に見えるから分かるけど、真空中を光や、電波が伝わるのってどういうことなんだろう? 何によって伝搬されているのかな?これって変ですか?磁力線、引力なんていうのも、よく解らないんだけれど、皆様ご教示下さい。 かめら
回答: atsuotaさんが本質的な御話をされているので、蛇足的に現象論的な話をします; 波は仰るように、媒質の振動が連続的に起こることです。 ・【水面の波】は、観客席のウェーブと同じで、水が上下に振動(回転)することです。 ・【音】は疎密波で、空気中であれば、ある位置の空気を構成している分子が疎と密を繰り返します。「疎→密→疎」にかかる時間の逆数が周波数です。 これらは水分子や気体分子の力学的な運動で理解出来るので、【力学的波動】と呼ばれます。 波動の面白い所は、媒質が同じ場所で振動しているだけで、物質的な伝播は無いと云うことでしょう。観客席のウェーブの場合に、人間が移動していないことを考えれば当然ですが、面白く感じます。 しかし、光(=電磁波の可視領域)、重力波などの場合には、干渉、回折などの波的な性質は持っていますが、媒質がありません。 昔は、光も力学的波動として説明がつくものとして、媒質探しが行われました。19世紀末のことです。ここで仮定された媒質は古代ギリシアの究極物質の名をとって、【エーテル】と名付けられました。 で、光の媒質としてのエーテルを実証する実験によって、逆にエーテルが存在しないことが実証されて(マイケルソン-モーレーの実験;19世紀末)、【アインシュタインの特殊相対論】(20世紀初頭)が登場するわけです。 ・結果的には、光は【マックスウェルの電磁気学】(19世紀末)に従う電磁波です。 電磁波は、電場と磁場が交互に振動している現象です。電場の変化が磁場を生み出し、磁場の変化が電場を生むと云う具合に電場と磁場が交互に振動している現象が空間を伝わる波と解釈できます。 ・光はまた、粒子的な性質も持っています。この粒子的な性質に注目すると、光は【光子(フォトン)】と呼ばれます。 このように、粒子的性質と波動的性質を兼ね備えたものを【量子】と呼びます。昔は波粒(wavicle = wave + particle)と呼んだりもしました。 力学的波動も粒子として捉えることが可能で、これを【量子化する】と言います。例えば音波は量子化すると【フォノン(音量子)】と呼ばれます。 ・重力の場合は、時空間の歪みが伝播することと捉えて、重力場の振動と考えることが出来ます。 まとめると、 力学的波動以外の波は場の振動だと考えることが出来ます。また、力学的波動も含めて、波動は全て量子化することで粒子的に考えなければならない場合もあります。 この辺りの話は、古典物理学から現代物理学への橋渡しとして非常に重要な地位を占めます。歴史的にも、ニュートン力学の成立と並んで、最も面白い話の一つですから、沢山本も出ています。 御参考までに; ・「量子力学と私」朝永振一郎 岩波書店 ・「物理学とは何だろうか」(上下)朝永振一郎 岩波新書 ・「物理学はいかにして創られてか」(上下)アインシュタイン、インフェルト 岩波新書