光の直進性vs拡散光線（？）

質問

小学生のころ、理科の授業で光について教わりました。

ブラックボックスの壁に小さな穴をあけて光を照らす。
穴を通ってブラックボックスに差し込む光は、日光ならまっすぐ、電球の光なら拡散。
、、、そんな内容もあったと記憶しています。
（「平行光線」と「拡散光線」って呼ぶんでしたっけ？）

でも、日光だって電球の光だって、光には違いありませんよね。
どうして平行光線と拡散光線という違いが生じるのでしょうか？
光の「直進の法則」に従えば、小さな穴を通り抜けた電球の光だってまっすぐになるのではないでしょうか？

インターネットで調べてもよくわかりませんでした。
（「○○光線」の用語を間違えているのかしら？）
物理学のカテゴリで質問するには気後れするくらい初歩的な質問（というか小学生レベルの質問）ですが、よろしくお願いします。

回答No.3

spring_f · ベストアンサー

No.2のご質問に対して・・・

完全なコリメート光でも、結局は少しづつですけどビーム径は広がります。

レンズ集光した光はガウス分布の光の強度分布を持っています（これをガウシャンビームといいます）が、ビームウエスト部分で光の集中がもっとも強いです。虫眼鏡で光を集めた場合の思い浮かべればよいかと思います。光がもっとも集まったところをビームウエストといいます。
で、このガウシャンビームは光の直線性により理論上かぎりなくまっすぐは進みますが、ガウス分布の外側は光の集中する力が弱いので少しずつ外に放射（自然に減衰。。。？）するため、徐々に光の強度は弱まります。真空中等光の散乱、吸収要因のないとこならビーム径は広がりますが光の減衰はなくどこまでも直進すると思います。

「光の強さの逆２乗の法則」は、点光源からでる光の強度は距離の２乗に反比例して徐々に強度が弱くなることを示しています。
この考え方は、球の表面積を考えれば容易に理解できると思います。光強度はある単位面積あたりの光強度で示されるので、点光源から距離が離れると光が広がって単位面積あたりの光強度が小さくなります。

お礼

spring_f様

文系人間の他愛もない疑問にお付き合いいただき、本当にありがとうございます。とてもわかりやすい解説に感謝しています。
> ガウス分布
....？　あ、正規分布のことなんですね。
まだまだ知らないことばかりです。
本当にありがとうございます。

showta様

ポイントを差し上げるには、お２人の回答に甲乙をつけざるをえず、たいへん心苦しいばかりです。spring_f様には２回も返答をいただいたので、ということで、どうぞご容赦ください。
この場を借りて改めて御礼申し上げます。

回答No.2

spring_f

電球も太陽も点光源あるため、拡散光であることには変わりありません
単に太陽光が観測点から比べると非常に遠いため平行光のように見えているだけです

お書きの小さな穴を通り抜けた光は電球でも太陽光でも穴を通り抜けたとたんに広がります。これは光の回折とよばれる現象で、光が波の性質をもつことにより起こる現象です。穴を通り抜ける入射角度の違いで太陽光と電球で広がり方が異なりますが・・・・

ちなみに平行光は通常レンズを用いて平行にしますが、厳密には完全な平行光ではありません（ビームウエストをあるため）。レンズ集光で平行光にした光をコリメート光と呼びます。

お礼

ご回答ありがとうございます。

> これは光の回折とよばれる現象で、光が波の性質をもつことにより起こる現象です。

「回折」ですね。
これをキーワードにちょっと調べてみます。

補足

showta様とspring_f様のご回答のおかげで、
「平行光か？拡散光か？」ということと
「光の直進の法則」（曲がらないということ）を
混同していたことに気づきました。お恥ずかしい、、、。

「直進の法則」の例外として、回折、屈折、散乱、などがあることも
インターネットで調べてわかりました。

Wikipediaに載っていた「光の強さの逆２乗の法則」の記事も読みました。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%80%862%E4%B9%97%E3%81%AE%E6%B3%95%E5%89%87
なるほど、太陽が平行光だったら直視できませんよね。←バカ

で、ちょっとした疑問がまた湧いたのですが、
完全な平行光をつくったら、それは「光の強さの逆２乗の法則」にかかわらず
どこまでも同じ強さで直進していくのでしょうか？

たとえば、散乱が起こらない宇宙空間で、
虫メガネで平行光をつくったらどうなるのでしょうか？
それとも、「ビームウエスト」なるものが生じるからダメでしょうか？
（調べても「ビームウエスト」の意味がわかりませんでした）

またまたしょうもない質問ですみません。
どなたかお願いします。

回答No.1

showta

太陽と電球の光では規模が違うのです。
太陽くらい大きくて遠いものだと、ほとんど平行な光と考えてもいいのです。
宇宙的規模でみると太陽でも、一点から拡散する光でもあります。

一例に、水は、水平といいますが、地球は丸いですよね、海の水は地球に引っ張られ、表面を丸く覆っています。しかし小さな規模でいえば水槽や、プールの水は、推定ですよね。
大きなものの極小さな規模の部分を切り取ると
丸さやゆがみを感じさせなくなるのです。

お礼

ご回答ありがとうございます。

> 太陽くらい大きくて遠いものだと、ほとんど平行な光と考えてもいいのです。

なるほど。