光＝電磁波の根拠

質問

光＝電磁波という事実の根拠はなんでしょうか？
高校くらいで習ったとき、そうなのかあという感じだったけど、
よく考えてみると、どういう実験したら、もしくは、どう考えたら、
光が電磁波だと言えるのでしょうか？

また、一体、誰が最初に発見したんでしょうか？

回答No.6

aster · ベストアンサー

不正確かも知れませんが、次のように考えると、または説明すると分かり易いのではないでしょうか。

天文学で使う観測装置に、「干渉計」というものがあります。これ単独で使うのではなく、色々な装置と一緒に使うのですが、干渉計の原理というのは、ある一定の距離を離して、観測装置を置き、二つの観測装置が受信した信号を、一つに合わせると、どういう風に信号げ変化するかを見るというものです。

これは、どういう意味を持っているかというと、例えば、一つの恒星があるとして、恒星は或る距離にある訳で、その星を観測する位置が違えば、違った位置に見えるはずです。そこで、観測位置を変えるには、もっとも大規模なものは、地球の公転運動によって、最大２天文単位離れた場所から恒星を観測できるというのがあります。

このとき、恒星の見かけの位置が違っていた場合、これを「視差」と言います。記憶では、１天文単位の距離で、視差が１秒になる場合、その恒星は１パーセクの距離にあると定義したはずです。こういう方法で、恒星の距離を、視差を直接測ることで計算することができたのです。

これは実は一種の干渉計になっています。正確には干渉を利用していないので、干渉計ではありませんが。

これと同じ原理で、地上に、或る距離ｄ離した位置に観測装置を置き、或る恒星を観測し、その観測した光を重ね合わすと、その星から観測点までの距離が、ｄに応じて変化します。地球の自転運動に応じて、恒星から観測点まの距離は変化し、これは干渉がどのように起こるかで、観測している光の波長と、恒星と観測点のあいだの距離、そしてｄの値で一定の関係が出てきて、このような方法で、恒星の距離を測ることが理論的には可能なのです。

原理的な話になりますが、干渉計で、天体の光を観測することもできれば、電波を観測することもできるのです。無論、光と電波では、受信装置が異なっています。しかし、ｄを連続的に変えて行くと、可視光線よりも振動数の低い「光」が観測できるはずで、実際、赤外線などは、観測できます。

他方、電波の方も、振動数を上げて行くと、非常に高い振動数の電波、例えば、光の振動数に対応する電波も観測できるはずです。

もし電波と光が別のものなら、同じ振動数で、しかし、光と電波という二つの波動が重なっているような観測があるはずです。ところで、現実には、こういうことは観測されないのです。

光の連続スペクトルが描けるように、電波の連続スペクトルというものも描けます。この連続スペクトルは、振動数が増えて行くと、電波と光で、連続して繋がっているように観測されます。つまり、光の振動数のところに電波は観測されず、電波の振動数のところに光は観測されないのです。

光は振動数が低くなると、電波のような性質が出てくるのであり、逆に電波は、振動数が高くなって来ると、光に似た性質が出てきます。

両者は光速で運動することが確認されています。

更に、光は、偏光現象があり、偏光現象は、電場や磁場によって影響させることができ、この影響は、丁度、電場と磁場が直交して交互振動しているのが光だと解釈すると、説明が付くような現象です。

電場と磁場が直交して交互振動しているのが、実は、マックスウェルが研究した電磁波なのです。電波とは電磁波のことです。

ここまでの観測の話で、光と電波は、振動数の異なる、或る波動実体ではないかという推論が出てくるのであり、光の偏光現象は、光が電磁波の性質を持っているということを証明しています。

干渉計の観測で、光と電波が振動数の移行によって連続しているように思え、更に、光が偏光から電磁波の性質を持つとなると、両者は、同じ実体の振動数の異なる現われだと考えるのが、それに反証する事実が見つからない限り、自然だということになります。

電磁波と光が同じものであるというのは、素粒子物理学での電磁力の交換力粒子が光子であるというような話まで展開しないとならないのかも知れませんが、以上の、スペクトル的に、電波と光は振動数をパラメータとして連続している。そして光には偏光現象があるということだけで、両者は同一実体・同一現象の振動数の違いによる現れの違いだと考えてもよいと思います。

なお、結晶などに対する、電磁波の反射・屈折・透過・吸収などの理論モデルに従い、光を振動数の高い電磁波だと考えて計算した結果が、現実の光の反射・屈折・透過・吸収などの現象と一致するというのは、光は、電磁波と考えて扱うと、その挙動が計算できることになります。そして、振動数のスペクトルで、光の振動数に当たる電波はなく、代わりに、そこには光があるということが、追加的に、光と電波は連続しており、光は電磁波だということを示しているのではないでしょうか。

お礼

すばらしい！！

論理的にもレベルが高くて、
読み込んで、時間がかかってしまいました。

勝手にまとめさせていただいたポイントとしては、

0.同じ速度
1.光と電波が、同一振動数で同時に観測される方法がない。
　（消極的な証拠ですが、推論を導くのに十分な事実）
2.偏光現象による性質の一致（横波、電磁場との相互作用？）
3.光=電波の仮定で、導出される事実の正確さ（干渉計、結晶モデル）
4.仮定を反証する事実がない

以上の点でしょうか。

とにかく、量子現象や相対論は、既存の理論が正しくないことを証明する
典型的な実験が存在し、あまりに簡単に論拠を示せるのに対し、
光＝電波は、正しいことを説明するという、論理的にも難しい話だったんですね。
たしかに、これは、多くの事実の積み重ねからしか言えないことなんですね。

ありがとうございました。