光は本当に横波なんでしょうか？

質問

光は横波である、という風に習いました。
このことは角度をずらした２枚の偏光板を用いた実験で説明され、
とても納得がいきました。

しかし、光を粒子的に考えると（ここでもう破綻しているのかな？）
光子の軌道はｓｉｎカーブのように横波になっているのでしょうか？
ｓｉｎカーブならば進行方向と垂直な方向にどんな力が働いて振動する
のでしょうか？

よろしくおねがいします。

回答No.6

guiter

もうすでに皆さんの回答があるので蛇足になります。

＞光を粒子的に考えると（ここでもう破綻しているのかな？）
＞光子の軌道はｓｉｎカーブのように横波になっているのでしょうか？
この部分を見ると少し量子というものの概念からずれているような気がします。
あくまで、量子は粒子の性質と同時に波の性質も持ちます。
"同時に"ですから日常的な感覚では捨てなければ理解しがたい部分もあります。

さて、電磁波の実態についてですが
この話は量子力学では少し足りず場の理論の話になります。

量子力学での電子と同様に光子の位置は一般には特定できません。
さまざまな位置にある状態が共存しています。
観測するとどこか１ヶ所で発見されることになります。

一方、電磁波と呼ばれるものは実は多数の光子の集団です。
多数の光子の共存度の分布（波動関数）が同じなので
光子の位置を観測すると無数の光子の観測位置の分布が
共存度の分布に対応したものとなるのです。

ちなみに、光子の波動関数を時間および空間微分したものが
それぞれ電場と磁場に対応しています。

お礼

皆さんご回答ありがとうございました。

やはり直観的にわかるようなシロモノではないんだなあ、
というのが正直な感想です。
（もちろん僕の知識不足も要因だとは思うのですが（汗）

例えばレーザーにしても、
非常に小さなボールみたいな光子が束になって飛んでいるんじゃ
ないかなあと思ってしまいます。何か連続体がびよ～んとなっている
ものではなく、また、光は媒質を必要としないはずだから空気中の
分子を反応させて目に光として認識させるというものでもないし・・・

そういえば偏光板の実験では、光が半波長進む間の振幅でもって
１枚目、そして２枚目の板を飛び越えて光が通過するんでしょうか？
う～む、光子１個１個が見えない限りすっきりしないような
気がしてきました・・・

回答No.5

apple-man

＞ｓｉｎカーブならば進行方向と垂直な方向にどんな力が働いて振動する
のでしょうか？

　光は電磁波の一種だということも習われましたでしょうか？
電磁波は電界と磁界が互いに直行して振動する波（のように見えます）。
これ少し説明が正確性を欠きますが、例えばこんな感じです。

　電流が流れると磁界が発生しますよね。これを応用したのが
電磁石。電線に磁石近づけると電流流れますよね。
これを応用したのが発電機。つまり変化する磁界は電流を
発生させる。これが空中に広がっていると電界なわけで。

　変動する磁界は電界を発生させ、発生した電界が変動
すると磁界を生み出す。こんな電界、磁界の振動が
空間を伝わっていくのが光なんです。

　ただ光は波であるのか粒子であるのかは現在でも
決着のついていない問題で、正確には実験の方法
により、波と同様の現象（偏向、反射、干渉縞の発生等）
が観測されることもあるというだけです。

回答No.4

nikorin

>光子の軌道はｓｉｎカーブのように横波になっているのでしょうか？

えーと、光子は直進してます。
確かに光は粒子として扱うこともできますが、軌道がカーブを描くというイメージは間違っています。

量子力学を勉強しませう。

回答No.3

mmky

No.1のcreolさんとNo.2のmiDumoさんの立派な回答がありますので、
参考程度ということでお話します。
光子1個は小さいですから粒子と観ることもできますが、
光子1個でもNo.1のcreolさんのご指摘のように進行方向に垂直な電磁界が存在すると推定できますので、質問者さんへの答えは「進行方向に垂直な垂直な電磁界が存在するから。」が良いのではないかと思います。
光子1個に電磁界があるの？と思われるかもしれませんが、No.1のcreolさんのご指摘の中にもありますので考え方まで。
波長ほどの長さの空間（Δｘ）とその空間が存在する微小時間（Δｔ）にエネルギー素片（ｈ）が分布して存在しているのが光子の概念です。エネルギー
分布は、（h/Δｘ＊Δｔ）この分布は摂動しながら飛んでいます。
この微小分布を
微小時間で観測した場合は、（h/Δｘ＊Δｔ)(Δｔ)＝h/Δｘ≡ｈ/λ
微小空間で観測した場合は、、（h/Δｘ＊Δｔ)(Δｘ)＝h/Δｔ≡ｈｆ
というように良く知っている運動量とエネルギーの関係式になります。
Δｘ/Δｔ≦C,　λ*ｆ=C で Cは進行方向の速度：光ですから光速度ですね。
摂動がありますので、エネルギー波動の形で飛んでいます。
これは、同時に進行方向に垂直な電磁界エネルギーでもあるので、
ミクロ的には波動、マクロ的にはエネルギー粒子
（ミクロの中で更にミクロととマクロをわけて使っています。）といえます。レーザのように位相が揃うとミクロ的な波の性質が顕著に現れる。という風に考えられますね。
少し、長くなりました。
参考程度まで

回答No.2

miDumo

私、物理屋じゃないんで説明に自信ないんですが、

光は波であり、同時に粒子です。
量子力学を適用すると、不確定性原理により光子のような粒子は観測するまで
位置が決定しません。1つの光子の位置を規定できる方法は確率分布だけなのです。
素粒子レベルの超ミクロ世界では、粒子はデジタル的な飛び飛びの出現をするので
（クォンタムジャンプという現象に見られる存在の瞬間移動）確率という式の中のみ
に存在しているのすが、これが時間的にマクロな観測となると、飛び飛びの出現が
連続量となって存在の確率分布が重なり合い、波状になります。
すると、波のように観測されるのです。

こんな実験をしてみます。
間隔０で真っ直ぐ光子を発射できる銃が並び、発射線を線Ａ、着弾線を線Ｂとします。
光は遮る物さえなければ直進するので、線A-線Bの弾道途中に光子1粒分だけ穴を開けた
板を置いて、穴の点をＣとします。Ｃを通過できる光子を打つのは銃Ｘ、Ｃ-Ｘの
延長線と線Ｂの交点をＹとして、全ての銃から光子を発射します。
すると、何度も発射するうちに、着弾地点はＹを中心とした同心円状に記録
されていきます。

光は直進するはずなのでＣ-Ｘ線上からずれるはずのない着弾の記録がずれるのです。

これは不確定性原理によって説明される、ある瞬間に位置と運動量を同時に決定でき
ないミクロ世界の掟によるものです。つまり途中においた板の穴が、位置を決定して
しまったために起こる現象です。
これは波と同じように回折する粒子の性質をあらわす実験です。

ですから、別にブルブル震えた粒が飛んでるのではなく、粒子の性質も波の性質も
持った存在が飛んでいると思っていただくのがいいかと・・・。
何となくわかりますか？　私も良くわかってませんが（汗

回答No.1

creol

縦波、横波とありますが、光が横波かどうか調べるには、
偏向板ですでに証明されてるんですよねぇ。
というのは、もし光が縦波なら、偏向板での効果は現れないです。

縦波と横波の違いは、
縦波が前後の振動による波、に対して
横波は進行方向に垂直に振動する波
であることです。

ｘ、ｙ、ｚ軸を考えてもらうと、
ｘ軸方向に波が進んでるとすると、
縦波の場合、ｘ軸内で振動してます。前後ろというように。
縦波の場合は、ｙ、ｚ軸方向に振動してます。

偏向板は１つの軸方向の光しか通しません。
１つ目の偏向板を抜けた光は、たとえば、y軸のみの偏向になっていて、
２つ目の偏向板の角度をいろいろ換えることにより、
y軸を通すのか、他の偏向を通すのかになります。

光はかなりの高周波です。Sinカーブになっているとはいえ、周波数が
かなり高い（GHzとか）と、その波はすでに直線に見えてきます。

垂直方向には、電場と磁場が出来てます。マクスウェル方程式により
電場から磁場が、磁場から電場が作られることがわかります。

どうでしょうか。