電磁波は一体何が振動しているんでしょうか？

質問

ずっと不思議だったのですが、電磁波は波長はあるのに、媒体が無いと教科書には書いてありました。
一見矛盾しているというか、意味が通じないように思えるんですが。。。
色々量子力学などの本を読んでみたのですが、いまいちよく分かりません。。
どなたか説明お願いします！
後、理解に役立つサイトや書籍などがあればお願いします！

回答No.10

eliyyahuu · ベストアンサー

> 量子力学は電磁気学から生まれたんですね。。初耳でした。
これはですね、私の
> 量子力学は、電磁波の研究から発展し
という言葉からと思いますが、
誤解を招く表現だったと思います。すみません。

量子力学は電磁気学から生まれたというより、正確には
アンチ・ニュ－トン力学、アンチ電磁気学から生まれたものです。

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%9B%BB%E7%A3%81%E6%B0%97%E5%AD%A6

19世紀末、多くの物理学者は「全ての物理現象はニュートン力学、
ローレンツ力、マクスウェル方程式で原理的には説明できる」と
考えていた。
しかしその後、ニュートン力学と電磁気学では説明できない現象が
次々に発見された。
光電効果、黒体放射のエネルギー密度、コンプトン効果は
光を粒子であると考えると説明できるが、
このことは電磁気学における「光は電磁波である」という描像に反する。
また、電磁気学によればラザフォードの原子模型は安定に存在しえない
ことが結論づけられるが、実際の原子は安定である。
ニュートン力学・電磁気学で記述できないようなこれらの
現象を記述しようと努力した結果が、
量子力学という全く新しい物理学の誕生である。

ということなんですよ。

電磁気学は、常識の延長線上にあって、
綺麗で分り易い学問です。
電磁気学を扱うための数学も高校の数学の延長です。
ダイバージェンス、ローテーションがわかればOK。
大学二年で習いました。

量子力学は、常識を越える摩訶不思議なことが出てきて、
難しいけれど、とてもエキサイティングなんですよ。
大学三年で習いました。
でも、量子力学を扱うための数学はかなりハードです。
大学二年で習った「物理数学」が量子力学を習うための
基礎だったんですね。
物理数学をきちんと理解していなかったので、
量子力学は大変でした。
大学一年で習った「解析力学」も大事です。
ニュートン力学の延長ですけど、解析力学がわかっていると
量子力学にすんなり入りやすくなります。

回答No.9

雪中庵（@psytex）

「電磁波は何が振動しているのでしょう？」という問いに、
「電場と磁場の連続的相互作用です」と答えても、
単に言葉を言い換えただけで、「電場」「磁場」が何かは
答えられていません（定量的な分析に過ぎません）。
その答えは、量子（=光子）だけから全ての物理定数を導く
超弦理論の登場まで、待たねばならないでのす。

回答No.8

eliyyahuu

電界と磁界です。

ウィキペディアの「電磁波」の項：
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%9B%BB%E7%A3%81%E6%B3%A2

電磁波は、空間の電場と磁場の変化によって形成された波（波動）のことである。
電界と磁界がお互いの電磁誘導によって交互に相手を発生させあうことで、
空間そのものが振動する状態が生まれて、
この電磁場の周期的な変動が周囲の空間に横波となって伝播していく、
エネルギーの放射現象の一種である。

電磁波は、19世紀に明らかにされていた次の4つの物理法則、
1.ファラデーの電磁誘導の法則、
2.アンペールの法則、
3.電場に関するガウスの法則、
4.磁場に関するガウスの法則、
を統合することによって、1864年にジェームズ・クラーク・マクスウェルにより理論的に予測され、
1888年にハインリヒ・ヘルツによる実験で発見されている。
電磁波の挙動はマクスウェルの方程式として体系化されており、波動方程式の一般解として必然的に導出される。

ウィキペディアの「マクスウェルの方程式」の項：
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%9E%E3%82%AF%E3%82%B9%E3%82%A6%E3%82%A7%E3%83%AB%E3%81%AE%E6%96%B9%E7%A8%8B%E5%BC%8F

マクスウェルの方程式を力学に応用することにより、特殊相対性理論が導かれ、その逆ではないので、
特殊相対性理論を学ぶ必要はありません。

また、量子力学は、電磁波の研究から発展し、その逆ではないので、
量子力学も学ぶ必要はありません。

マクスウェルの方程式を勉強してください。
それが理解できなければ、電磁気学を最初から勉強してください。

文献
物理入門コース４『電磁気学 II』／岩波書店／長岡洋介著
「８マクスウェルの方程式と電磁波」「８－５電磁波」

参考URL：

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%9B%BB%E7%A3%81%E6%B3%A2

お礼

回答ありがとうございます。

電界と磁界が時間的に変化したものが電磁波なのは分かるんですが、
そもそも電界とか磁界って当たり前のように使っていますが、理解しているかというえば全くです。。
回答者さんの言うとおりマクスウェルを理解することからはじめたいと思います！
量子力学は電磁気学から生まれたんですね。。初耳でした。
文献まで紹介していただいてありがとうございます！！

回答No.7

雪中庵（@psytex）

光も電磁波です。
「光は光子という粒がエネルギーを伝える」という言明を疑う人は少ないでしょう。

それが一般的な電波になると、なぜ印象が違うかという、元々「光子」という場合も、
“粒子と波の両方の性質を持つもの（不確定性原理に基づく確率波動）”
だったのが、波長が長くなることで「粒子」性がぼやけてくるからです。

お礼

回答ありがとうございます。

光は光子という粒子にもなりえるというのは分かるのですが、それにしても質量が無いのにモーメントを持っているといった意味不明で矛盾しているように聞こえます。。
波長が長くなると何故「粒子性」がぼやけるんでしょうか。。
そもそも、光の波長とか周波数とかどうやって測っているんでしょうか。。

回答No.6

semikuma

あなたの疑問には、世界の物理学者が昔から悩んでいたことです。

「光は真空である(媒体のない)宇宙も伝わる。光の波動を伝える媒体は何か？」

そこで物理学者たちは、「エーテル」という物質を仮定し、その物性について議論していました。
私も素人なので詳しいことは知りませんが、光の性質から、その「エーテル」は全宇宙空間を埋め尽くす「固体」であり、地球も月も太陽を含む天体全て、エーテルという固体中を、何故か影のように突き進んでいるという奇妙な仮説が立てられました。

そこで、では地球がエーテル中を走行する速度を測ってやろうと考えた人がいました。
レーザ光を、直交する2つの腕に分け、端で反射させて戻ってきたところで干渉させます。
2つのレーザ光線が戻ってくる時間がずれると、干渉縞の位置がずれます。
地球は自転と公転をしつつ固体エーテル中を突き進んでいる筈なので、ドップラー効果により、東西方向と南北方向とで光の進む速さは違う筈です。

結果は驚くべきものでした。
地球上の緯度や経度、季節や時間、レーザの進む向きなどをいろいろ変えて何度測ってみても、光の進む速さは変わりませんでした。
有名な「マイケルソン・モーレーの実験」です。

これにより、「エーテル」説は否定されました。
そして今では、光の波動は『空間』が伝えているとされていると、聞いたことがあります。

余談ですが、このマイケルソン・モーレーの実験から、「光の速度は一定である」という前提で組み立てられたのが、アインシュタインの相対性理論(相対論)です。
相対論では、重力によっても空間が歪みます。
太陽のような巨大な星の周囲は重力によって歪みも大きくなるので、その向こうにある星が2つに見える「重力レンズ効果」が確かめられています。
またブラックホールらしきものもいくつか見つかっており、確からしさは一層高まっています。

更に余談ですが、宇宙戦艦ヤマトで有名になった「ワープ航法」も、(2次元の紙を丸めて表面の1点から別の点へ乗り移るように)3次元空間を捻じ曲げて別の点へ乗り移るものです。
# 「ワープ」とは、「捻じ曲げる」という意味。

ということで、文献が欲しいなら、相対論か、相対論まで言及した電磁気学の本を探すとよいかと思います。

お礼

回答ありがとうございます。

なるほど。とても興味深いお話ありがとうございます。
やはり学者達も頭を悩ませていたんですね。。
空間の歪みやワープなどとても面白そうですね。
相対論を学ぼうと思います。
ありがとうございます。

回答No.5

soukaku

専門家ではないので、聞きかじった知識などを元に、イメージでしかお話できませんが、と前置きをして……

空間が重力によって歪む、という話をご存知ではありませんか？
と、言う事は、媒体(空気、とか、水、とか)が無いはずの空間が歪むという現象が存在することになります。
ですから、物質的な見方では「何も無い」空間でも、実際には「空間という名の存在、あるいは器」があると考えられそうです。

なので、物質的な媒体が無くても、そこには何らかの影響を受けるものがあるとなり、電磁波も空間そのものを媒体として伝播していくという事でどうですか？

お礼

回答ありがとうございます。

空間が重力によって歪むというのは聞いたことがあります。
しかし、空間が歪むと言われても私は全くの素人というのもあるんですが、なんかすごく抽象的なことに見えてさっぱり意味が分かりませんでした。。
これからこういったこと、つまり空間などを学んでいきたいんですが、何か良い文献などありますでしょうか？

回答No.4

_takuan_

>>波長はあるのに、媒体が無い
　運動量の存在に疑問を持っておられるのですね。様々に存在する「力」については、素粒子論の専門家が一生懸命研究されている分野でして、運動方程式のように現象論としてとらえた方がいいと思います。未来のノーベル賞受賞者が説明して下さるでしょう（笑

余談ですが、電磁気力以外の
　　　　・色力
　　　　・弱力
　　　　・重力
についても統一理論を目指しているそうです。

お礼

再度回答ありがとうございます。

そうですね。。
例えば光子などでも、質量が無いのに運動量を持つなんて、幽霊みたいです。
私の常識から外れているというか。。（笑
こういう現象がでも、現実に起きているということはやはりなにか理屈をつけるよりもそのままを受け止めた方がいい気がしてきました。
ありがとうございます。
後文献参考にさせていただきます。

回答No.3

_takuan_

小難しい話は抜きにしまして。

万有引力って、真空中でも伝わりますよね。地球と太陽が引き合っているあれです。そこに疑問は生まれないと思います。電場と磁場についても真空中で健在で、こすりあわせた髪の毛とプラスチック板は真空中でもひっつきあいますし、磁石のＮ極とＳ極も引き合います。

そんで、電磁波というのは、電場と磁場の変動が周囲に伝わる現象でして、もちろん真空中でも当たり前のように伝搬していくのです。

詳しく知りたけば、電磁気学の参考書を参照されると良いでしょう。

お礼

回答ありがとうございます。

引力もまた媒体を必要としていませんね。。
磁力もそうですし、電場も媒体が無いのに力が働いていますね。。
つまり、こういうものなんだと割り切るべきなんでしょうか。
そう考えると世界って本当ＳＦみたいなことだらけですね。。

回答No.2

s1rot

ハロー．理解のヒント．１．たとえば熱の伝わり方には主として伝導対流放射がありますね．２．伝導は分子の振動がバケツリレー式で伝わりますね．３．対流は振動する分子そのものが移動して熱を伝達しますね．４．放射は光ですね．ヒカリは電磁波の一種ですがあたかも光子という粒子が存在するような振る舞いが見られますね．５．光子という粒状性と同時に光には波動性もありますね．６．この順序で考えるとべつに媒体は空間そのものとして電磁波は伝わるという解釈も不自然さはないように思います．７．蛇足ですが、ほかにも重力波とか核力といった物理学で重要なチカラや波があるようですね．東京物理学園の落第生の回答なので多少の誤りはゆるしてください．ほとんんど素人でした．終．

お礼

回答ありがとうございます。

熱の伝導と対流は、分子という媒体によって伝わるというのは直感的に分かるんですが。。
放射は光という電磁波がなんの媒体も無いのに、波動性があり、さらに熱というエネルギーまで物質に伝達できるというのはかなり不思議です。
確かに言われてみれば、重力もそうですし、核力も媒体を必要としてませんね。。
こういうもんなんだ、っと割り切るべきなんでしょうか。

回答No.1

Tacosan

媒体は「ない」とするか, あるいは「空間そのものが媒体」とするか.
でも, 「波長がある」ことと「媒体がない」ことって矛盾してますかね?

お礼

回答ありがとうございます。

空間そのものが媒体というのもどこかで読んだんですが、イマイチ意味が分かりませんでした；；
空間自体なにか抽象的なことのように思えてあまり直感的に分かりません。
ですが、興味があるので何か、参考になる文献などあればお願いします！
「波長がある」ということは、波があるということではないんでしょうか？
つまり、波というのは振動している状態ですから、何か振動する媒体が必ずあると思うのですが。。
それが「ない」となると矛盾しているような気がします。