光や電磁波は何を媒体にして伝えているの？

質問

光や電磁波の正体が「波」であるというのはよく聞くのですが、実感がわきません。
音の場合は空気を媒体にして疎と密の振動で音を伝えていると思うのですが、光や電磁波は一体何を振動させているのでしょうか？

回答No.15

foomufoomu · ベストアンサー

なんだか、光の粒子性質とか持ち出して、どんどん話を複雑にして、話をはぐらかしている気がしますが、電磁波（光）が媒体を必要としないことを説明するだけなら、そんな複雑なことは必要ありません。

そもそも、波とはなんでしょう？
たとえば、水の波は、
・まず、水の一部が何かの力で持ち上げられると、これによって水は位置エネルギーを得ます。
・次の瞬間、水は下へ流れ落ち、これによって周囲の水が押されて横へ流れ、運動エネルギー(速度のエネルギー)に変換されます。
・運動エネルギーは周囲の水を押し上げ、再び位置エネルギーに変換されます。
このように、水の波は位置エネルギーと運動エネルギーの相互変換を繰り返して、周囲へと広がります。

電磁波(光)の場合も、電界は磁界を生み、磁界は電界を生む、という電気と磁気の性質によって、エネルギーの相互変換を繰り返して伝わります。
波の伝搬で重要なのは、媒体があるかどうかでなく「相互変換可能な2種類のエネルギーがあるか？」なのです。

それから、私の回答へのお返事についてお答えすると
＞電気における＋と－を「原子から電子が抜け落ちた状態」と「電子そのもの」と認識していますが
それは、電気の本来の形であって、電気の性質ではありません。
絵の具で絵を描く時「赤の絵の具の分子構造は・・・」などと考えることはなく、「赤の絵の具は燃えるような色」という絵の具の性質だけを考えるはずです。性質を生む元は絵の具の分子構造ですが、それを利用する時まで本来の形について考える必要はありません。

お礼

波って「媒体の振動」ではなく「性質の変化」と捉えるのですね。
「電気の性質」→「磁気の性質」→「電気の性質」→「磁気の性質」という感じで性質が変化しながら伝播していくのですね。

回答ありがとうございました。

回答No.18

s_hyama

No.13のひゃまです。
光のエネルギーは、E＝MC^2＝hf
光はCです。つまり時間という特性を持った空間です。
ですから、そもそもがEとC＝d/tは違いますよ。
その時空特性があるので、光速が一定に観測されるのではないでしょうか？
空間は距離だけ持った空虚な存在って人間が勝手に決めつけてきただけではないでしょうか？

お礼

時間の概念まで出てきたか。
光の正体を追求するのに時間の概念まで考えなければならないのか。
なんか「光の正体」から「空間の正体」まで話が拡張されて余計頭がこんがらがってしまう。

回答ありがとうございました。

回答No.17

reflector

＞光や電磁波は何を媒体にして伝えているの？

宇宙空間に漂っている物質類を媒体としている。

一番欲しい情報を誰も示さないので困っているんですよ。

お礼

＞宇宙空間に漂っている物質類を媒体としている。

しかし、その物質類が不明なんですよね。
No.15さんの説明だと媒体自体が無くても大丈夫ってことになりそうなんですけどね。

回答ありがとうございました。

回答No.16

shintaro-2

>光や電磁波の正体が「波」であるというのはよく聞くのですが、実感がわきません。

そんな場合は仕方がないので
電磁波の伝播自体は上位次元の現象で、
観測しているのはそれの3次元空間での事象と思うことにしてください。

お礼

確かに仕方無いといえば仕方無いのですが、なんか曖昧な理解ですね。
もっと明確に知りたいです。

回答ありがとうございました。

回答No.14

iapetus

ロングです。また、他のご回答者の主張と、重複することは、お許し下さい。

音波（空気中、水中、金属等の媒体）、水面波（液体が媒体）など、地球上で見られる波動現象には、人の目で見える「媒体」があるのに、なぜ、波動現象の一つである「電磁波」には、目に見える媒体が無いのか、或いは、確認できないのか、というご質問に言い換えられるのでしょうか？。

波動現象の物理特性は、伝播速度、波長、周波数、振幅、振動方向、媒体が均質である場合の直進性、回折、干渉、と言ったところでしょうか。
そして、電磁波もまた（媒体の存在・不存在の証明が成されていないとしても）これらの性質を持っており、波動現象に間違いないのです。

このうち、伝搬速度は知識として30万km/sであると知識で知っていらっしゃるでしょう。
しかし、真夏の陽炎や、炭火が揺らいで見える、度の強いレンズの周辺程、像の一部に虹色の縁取りが見えるなどでで屈折の現象は視認できます。
また、両刃のカミソリの刃を水面に浮かべ真上から点光源で光を当てると、水の器の底に映る刃の影に、縞模様の縁取りが出ます（水深を調節するとよりハッキリ見えます）。
また、真黒な薄い金属板などを、真っ暗な部屋に点光源を用意して、これを遮る位置に置くと、非常に見えにくいはずですが、実際には、非常に細い光の縁取りが見え、光が金属板の縁を回り込んで（回折している）いることが判ります。
これらの実験によっても、電磁波が波動現象であることは、視認が可能です。

また、電磁波は、光電効果という現象（太陽電池パネルが発電できるのはこの現象）により、粒子性も兼ね備えていることが判っています。
そして、波動性が、ビームの波動性を生んでいるものと考えられます。

でも、電磁波が、波動現象でかつ、粒子の流れである、というのは、どういうことなのでしょうか？。
しかし、それを人間が直感するのは、かなり難儀です。
なぜなら、先に述べた実験で、マクロ視野的・間接的にその性質が確認できているだけで、粒子性、波動性という現象は、超ミクロサイズで起こっているのであり、人の目には見えないから理解し辛いことに他なりません。

そして、電磁波以外の波動現象に、媒体があるのだから、電磁波の伝播にも媒体があるはずだ、と昔の物理学者も考えたのです。
なぜかというと、物理現象は、似たような現象は、同じ物理量を持つという単純さで成り立っている、という経験則があるからです。
光だけが例外などと言う事は「無いはずだ」とし、空間は光の仮想媒体「エーテル」で満たされているアイデアを考えました。
結局、マイケルソン・モーリーの実験などにより、エーテルの存在は否定されることになり、現在は、空間そのものが、電磁波の媒体であるとする説が有力になっています。
空間（真空であるか否かに関わらず）は、ただの「空虚な場」、ではありません。
量子力学が進歩したお陰で、真空の空間とは、電子と陽電子が、対生成と対消滅を繰り返している高エネルギー状態の空間、と定義されています。
だとすれば、そこに「何かある」のですから、空間が媒体として電磁波を運んだとしても、不思議ではないでしょう。

但し、本当に空間そのものが電磁波の媒体なのかどうかは、「そうである」とする意見が優勢なだけであって、それ以外なのかすら、未だに良く判っていないのです。
従って、ご質問の答えは、『恐らく「空間」を振動させながら伝播してく』、と言う事になると思い案す。

また、余談ですが、人が明らかに「物質粒子」として認識している電子、ニュートリノといった軽いレプトンや、陽子、中性子といった重いバリオンですら、波動性を持っていることも、注目すべき事象でしょう。
物質粒子にしろ、エネルギー粒子にしろ、全て、粒子性と波動性を併せ持った、「重ね合わせの状態にあるはずだ」というのが、現代の有力な仮説となっています（これを、コペンハーゲン解釈、といいます）。
無論、波動性と粒子性の重ね合わせの状態などあるはずがない、とする仮説もあり、それを「エヴェレットの多世界解釈」といい、これらはいまだに論争が続き、決着に至っていません。

何れにせよ、たとえ、それが「人に理解し辛い現象」であったとしても、素粒子の世界では、それが「当たり前」で真理なのであって、多くの物理学者が実験で得た結果を鵜呑みにするしかないのです。

お礼

学者達も相当頭を悩ませたみたいですね。
未だに「波の性質」と「粒子の性質」の両方が併せ持つ原因について、明確に答えが出ていないのですね。

回答ありがとうございました。

回答No.13

s_hyama

マクスウェルは光の波は電磁波だとは言いましたが、
光が電磁波であると言っていません。
当時は光は波としてしか考えられていませんでしたから

厳密にいうと、物理学では光という言葉は定義されていません。
ということを断ってしいて言えば、電磁波の媒質は光です。

私たちは空間から光のエネルギーを吸光して光をみたといってるだけでしょう

お礼

「光」って電磁波の波長の中でも目に見える可視光線のことを指しているのかと思っていたのですが、電磁波の媒質が光ってことは、波長の長さに関係無く全ての電磁波は「光のエネルギー」を媒質にしているということなのだろうか？
・・・だけど、そもそも「光のエネルギー」の正体って一体なんだ？
なんか実体の掴めない「電磁波」を、別の実体の掴めない「光」に置き換えただけのような気がするのですが・・・

回答ありがとうございました。

回答No.12

noel_lapin

回答５について補足します。

回答５は、ほとんど正しいです。ただし、

>音の場合は音波であり、波長が長いので、気体、液体、固体の媒体が無いと伝播出来ません。
>波長が短い電磁波や光は真空中でも粒子としての性質を持つので伝播出来るわけです。

は違います。長い波長の電波も、物質の媒体なしに空間中を伝わっていきます。

お礼

電磁波が媒体無しで伝わるかどうかは波長の長さによらないのですね。
補足回答ありがとうございました。

回答No.11

noel_lapin

光の媒体という当初の質問から外れますが、回答７の粒子・波動の共存について補足させていただきます。

光のエネルギーには単位があって、エネルギーに着目すると、単位エネルギーを持った光子という粒子の集まり、になります。
しかし、光子が空間を伝わっていく様子は波です。

外村 彰さんの実験
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%A4%96%E6%9D%91%E5%BD%B0
http://ameblo.jp/katsuhime0401/entry-11243209649.html
によると
光が波として伝わり（「自分自身の波動と干渉する」という、粒子には無く波にある性質を示す）
かつ、粒としてスクリーンに衝突する
ことが確認されています。

このような光を、粒子か波か、と問うこと自体意味がありません。

例えが悪いとは思いますが、例えば鏡の色を問うようなものです。
青い物を写せば青く、赤い物を写せば赤色になります。

お礼

う～ん、粒が複数集まってようやく波の性質が現れるのか。
これだと「粒子の振動」ってことにはならなそうだな。
何でこんな不思議な現象が起こるのだろう？

回答ありがとうございました。

回答No.10

noel_lapin

回答８で「回答７は、誤っています。」と書いたのは、私の方の誤りでした。
良く読んでいませんでした。回答７の投稿者の方におわびいたします。

電磁波（＝光）に媒体は無く、何かの物質が振動しているのではありません。
何が振動しているかは、回答３・４・５・７にある通り電磁場というものです。
電磁場は物質ではなく、電磁場の強弱は空間が持つ性質です。

現在の物理では、空間が持つ性質と考えています。
（将来のことはわかりません。回答１のように、空間に代わる媒質が考えられるかも知れません。）

電子の有無が原因で、電磁場の正負が生じることはありますが、電子が媒質ではありません。

電波を放射するアンテナは金属で、金属内部では電子ガスが充満しているのと似た状態で、電子の偏りが隣の電子へと伝わって行きます。
その振動は電子ガス内の音波であり、フォノン（phonon音の粒子という意味です）と呼ばれます。
しかし、その振動が伝わるのはアンテナの表面までで、その先には電子はありません。

それでも電磁波が放射されます。

電気としての正負は、物質の性質で、物質を構成している分子・原子が正負に帯電することです。
しかし、電磁場の正負は、空間中の電場・磁場の方向のことです。

磁石のＮとＳの間に磁力線があることは鉄粉をまくと分かります。
このときＮとＳの間に磁力をになう物質があるわけではありません。

磁石を手に持って、１秒に１回の割合で磁石を振れば、振動数１ヘルツの電磁波が発生します。
もしも振動数１ヘルツの電磁波を受信できるＴＶかラジオがあれば、
手で振っている磁石の動きを受信することができるはずです。

お礼

電磁場は「物質の振動」ではなく「空間の性質」と捉えるのか。
電波についても磁石についても、離れているのに力が働くっていうのが自分には実感沸きにくいです。
これが粒子とかだったら納得がいくのですが、「空間の性質」と捉えると頭がこんがらがってしまってイメージ出来ないです。
ともかく空間にはそういう未知の力が働いているという事なんですね。

回答ありがとうございました。

回答No.9

noel_lapin

言い方が偉そうで、すみません。

お礼

いえいえ、お構いなく。

回答No.8

noel_lapin

回答７は、誤っています。

回答５は、３と４と同様に、正しいです。

光は光子からなる、と考えます。
光子や電子、中性子などは、回答５にある通り、粒子としての性質と波としての性質をあわせ持っています。

このとき「粒子なのか波なのか」という質問に対する答えは「粒子でも波でもない」です。
日常生活（１９世紀の物理学）で考えるような、粒子ではありませんし、波でもありません。
２０世紀に自然観が変わった、のです。

お礼

う～ん、粒子でも波でも無いのに粒子と波の性質を兼ね備えているのですか。
粒子でも波でも無いなら光の正体って結局何だ？？？

回答ありがとうございました。

補足

＞光は光子からなる、と考えます。

あれ？光が光子で出来ているのなら、「光は粒子」ってことにならないのでしょうか？