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光って何ですか？
光とは何ですか？基本的なことですみません。太陽のように熱エネルギーを持つものだけが発光体になれるのですか？電球の光と蛍光灯の光と太陽の光は違うのですか、同じなんですか？ど素人ですのでやさしく教えてください。
- 物理学
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> 現在電子顕微鏡で見える範囲は原子レベルなのでしょうか。原子核や中 > 性子、クオークといったところまでは無理なんでしょうか？ どんなに技術が発展しても、電子顕微鏡には解像度の限界があります。また、クオークは現在の人間の技術でも単独で取り出すことすらできません。（地球を一周する巨大加速器をつくってさえもとても無理だといわれています） > 光子はイメージ的にいうと人間の目に常に飛び込んできているのですか？そ > れによって私たちは色や形を認識しているのでしょうか。 完全な暗室であっても、そこに温度があれば物体は赤外線を発しています。この赤外線は人間は関知できませんから真っ暗にみえていますが、実際には光子が満ちあふれているといっても過言ではありません。 量子力学の話はきわめて奥深いものがあります。不確定性原理の問題、観測の問題等々、それだけで、１冊の本になります。これだけのスペースではお答えするにしても不十分になりますし、あらたな疑問がでてくることにしかなりません。 ですので、一度、量子力学の入門書のようなもの（講談社のブルーパックス等）でご覧いただいた上で、疑問点をまとめていただければと思います。
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- nzw
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光子はエネルギーが高いほど粒子性が高まるので、昔から核物理や素粒子物理の世界では光子を一つ二つと観測してきました。 最近は、量子暗号通信といって、光子一つ一つに情報を載せて光ファイバーなどを伝送し、一つ一つ測定するという技術が開発されていますので、エネルギーの低い光子でも光子数測定ができるようになってきました。 粒子一つ一つを観測できるか、また、どのように観測できるかという話は量子力学の不確定性原理というものとつながっており、非常に奥の深い話です。 ポイントだけ言うと、観測しようとするとその影響で観測されたものの状態が必ず変わってしまうため、軽い粒子である光子や電子などは一つ二つと数えることは可能ですが、「飛んでいる姿を見る」というのは原則的には不可能です。（ちょっと違うのですが、わかりやすく言うと観測した瞬間に弾き飛ばされるというイメージです。） これに対し原子は重いので、観測によってあまり弾き飛ばされないので、字を書いたりできるわけです。 クオークは現時点の理論では、単独の状態で観測することができないと考えられています。
- satoumasaru
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＞ 一粒一粒が確認できるかということなんですが。CCDで観測すると粒が ＞ たくさん飛んでる姿が確認できるのでしょうか。 ガイガーカウンターというのをご存じですか？ 放射線をうけるとガーガーピーピーとなるものです。 ＣＣＤというのはそれと同じようなものです。光を受けると電子を発するそれだけのものなんですね。それを増幅して人の目にも見えるようにしているものです。ですから、あくまで光がＣＣＤにあたったということは観測できますが、飛んでいる姿など写せるはずもありません。そもそも素粒子が飛んでいる生の姿などは観測できないのです。
お礼
ありがとうございます。よく新聞の記事に写真つきで原子で絵や文字を書くことに成功したとかみたことがありますが、現在電子顕微鏡で見える範囲は原子レベルなのでしょうか。原子核や中性子、クオークといったところまでは無理なんでしょうか？
- satoumasaru
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> 今現在では光の粒子と言うのは概念的にとらえられているだけで実際に > はどんな電子顕微鏡でも見えないのでしょうか。将来の技術進歩で見ら > れる可能性はあるのでしょうか。 「見る」ということの定義によりますよね。ＣＣＤなどで光子を観測することはできますが、電子顕微鏡等で見ることなどは不可能です。
お礼
ありがとうございます。私の言う”見る”という意味は一粒一粒が確認できるかということなんですが。CCDで観測すると粒がたくさん飛んでる姿が確認できるのでしょうか。
- satoumasaru
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> なぜ光の粒子は１秒間に地球何周（？）もできるような速さで動けるのでしょうか？ 物理学の中で値が変化しない物理量のことを物理定数といいます。例としてはなかにはプランク定数や万有引力定数、アボガドロ数などがあげられるのですが、真空中の光速度も物理定数です。 じゃあ、なぜ光速度（約３０万キロ／秒）は２０万キロ／秒ではないのか？ これはわからないのです。最初からそう与えられるというしかないのですね。現在の私たちの住んでいる空間は３次元空間＋１次元時間の４次元時空なのですが、じゃあなぜ４次元時空なのか？といわれても答えようがないのです。 答えとしては、「現在の宇宙がそうなっている」ことなんでしょう。(^^; >何百光年も離れた星の光を見たとき粒子が何百年もかけて今目に飛び込んでき >たと考えるとわくわくしますね ほんと、そうですね(^^) なお、蛇足ですが、星が見えると言うことは、星の光によって網膜にある細胞が刺激され、そこから神経を伝わって脳へ信号がいきます。何百光年も離れている恒星から放たれた光がもし波としての性質だけしかなければ、大変弱い波になってしまい、網膜細胞を刺激することは不可能です。これは光が粒子としての性質を持つということでなければ説明できません。(^^)
お礼
ありがとうございます。なんか感覚的にすっきりしてきたような気がします．今現在では光の粒子と言うのは概念的にとらえられているだけで実際にはどんな電子顕微鏡でも見えないのでしょうか。将来の技術進歩で見られる可能性はあるのでしょうか。
- satoumasaru
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＞光とは何ですか？ 狭い定義では、電磁波（波長により、電波、赤外線、可視光線、紫外線、Ｘ線、ガンマ線とわかれています）の一種である可視光線の意味で使用されています。普通、物理学上では、電磁波と同意語で使用されています。 じゃあ電磁波というのは何でしょうか？ 電気と磁気の関係はご存じですよね。電気によって磁気がおこり、磁気によって電気が起こる現象です。電気によって磁気がおこるのはたとえば電磁石などがそうですし、磁気によって電気がおこるのは発電機が良い例ですね。 この電気が磁気を発生させ、磁気が電気を発生させる、こうした状況が空間を伝わっていくのが電磁波なのです。（だからこそ「電」「磁」「波」というのですね。）。これを数式にまとめたのが、マクスウェルの式です。 光の物理的意味での歴史的変遷は、＃８の方が丁重に書かれていらっしゃいます。もうので、若干補足させていただきます。 これまでの説明では光（＝電磁波）は波だと説明しました。ところが、光は波だということだけでは説明できない現象が生じています。それは光電効果です。 光電効果とは、金属に光を当てると表面から電子が飛び出してくる現象です。放出される電子のエネルギーは光の波長が短いほど大きくなり光の強さには依存しません。この現象は光を粒子として考えなければ説明がつきません。 じゃあどっちなの？ということになりますが、実は極微の世界では、「観測する手段」によって、波でもあり粒子なのでもあるのです。これは光だけではありません。電子も普通は粒子として考えられていますが、波として観測することも可能なのです。電子は常識的には粒子ですが、固有の波長をもっているのです。すべての物質は波長をもっているのです。 「そんな非常識な！」と思われるかもしれませんが、私たちが直感的に理解できるのは、私たちレベルの巨大な原子の集まりだからいえることです。しかし自然は私たちが考える以上に非常識なものなのです。極微の世界の量子力学などというのは、摩訶不思議であり量子力学の不確定性原理（位置と運動量を同時に測定できない、時間とエネルギーを同時に測定できない）などは私たちの直感的に理解できるものではありません。 まあ、自然がきわめて非常識にできているのか、自然に比べて私たちの考えが非常識なのか、どっちかわかりませんが、自然はそのようなもの、と達観しなければならないようですね。^^)
お礼
ありがとうございます。素人ながら感覚的にわかってきたような気がします。光が粒子という考え方もあるのですね。そのほうがなんかしっくりします。何百光年も離れた星の光を見たとき粒子が何百年もかけて今目に飛び込んできたと考えるとわくわくしますね。でもなぜ光の粒子は１秒間に地球何周（？）もできるような速さで動けるのでしょうか？
- apple-man
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＞人間の目に反応する波だけを人間は光ととらえているということなんでしょうか。 だいたいそう考えていいと思います。 人間に見えている光のうち、一番振動数 が低いのが赤い色で、振動数が一番高い のが紫色です。 赤い色よりさらにほんの少し振動数が低い 電磁波が赤外線と呼ばれ、目には見えませんが 光を暖かいと感じるのは、人間の皮膚が強い 赤外線を感じているんです。 太陽が暖かいと感じるのは、この赤外線が が含まれ、その強度が強いからで、蛍光灯が かなり明るくてもそう熱くないのは、この 赤外線が殆ど含まれていないからです。 光は身近な現象で、古くから研究されて いますが、まだ謎の多い存在です。 １９世紀にマックスウェルという人が、 それまでの磁気と電気の研究結果から、 この電気と磁気の混在する波、つまり 電磁波が存在することを理論的に求めました。 これが今の無線通信の研究に繋がって います。 その後、光もこのマッスウェルの 理論に当てはまることがわかり、 人間の目に見えている光は 電磁波の一種と考えられるように なりました。 しかし、２０世紀に入り、相対性理論で 有名な、アインシュタインが、光量子仮説 といって、光は粒子であるという考えを 発表し、それを証明するような実験 結果が続きました。 今、高校あたりの物理の授業では、 光の二重性と言って 「光は波であって、粒子であると」 教えています。 変な説明ですが、結局マッスウェル の考え方が当てはまる場合と、 アインシュタインの考え方があてはまる 場合の二通りがあって、結局どっちか 分からないんです。 ＞波が空気中を飛び目の中に飛び込んできていると言う感覚ですか。 空気のない宇宙空間も光は伝わって行くと いうのが、光の神秘の１つです。 波なら必ずそれを伝えているものがある はずなんです。海の波なら、海の水が あるように、光の波は？？？と考えた とき、海の水にあたるものが何だか 分からないんです。 最新の物理学の研究によれば、光は 空間そのものの振動の一種で、人間の 感覚からは想像もつかないことですが、 重力の仲間かもしれないと考えも出てきて います。 重力も何もない宇宙空間を伝わって 行くし、その伝わる速度も光と 同じだとされているんです。
お礼
ありがとうございます。光が粒子かも、というかんがえは新鮮でした。直感的に受け入れやすいです。どうも波は感覚的にわかりにくいです。
- nzw
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>また、ベータ線は中性子が飛んでいるものですので、これも厳密には電磁波とは異なります。 ベータ線はベータ崩壊のときに出る電子線ですよ。 >太陽のように熱エネルギーを持つものだけが発光体になれるのですか？ いいえ。たとえば、レーザー光などは熱以外の理由により放出されている光です。 通常、熱により放出される光は幅広い波長を含みますが、レーザー などは狭い範囲の波長しか含まれないのが特徴です。 質問にあげられている光のうち、電球の光が最も熱から出る光に近い（ほぼそのもの）ものです。 太陽の光もこれに近いのですが、大気による吸収などの影響を受けているために特徴的な分布を持ちます。 蛍光灯の光は、もともとは水銀が発する紫外線という非常に波長範囲の狭い光を 蛍光体にあてて人が見える波長の光に変換したものです。ただし、電球や太陽光ほど波長の幅を持ちません。 白色にみえる蛍光灯でも、実際には結構波長範囲の狭い光を３種類ほど混ぜ合わせて白色にしています。 （３種類ほどの蛍光体を混ぜているということ。 この混合比率により昼光色や電球色などの違いがでます）
お礼
ありがとうございます。なんとなくイメージがつかみかけてきたような気がします。要するに光は波なんですか。波が空気中を飛び目の中に飛び込んできていると言う感覚ですか。又は空気中には無数の波が存在していて、人間の目に反応する波だけを人間は光ととらえているということなんでしょうか。
- 12m24
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差し出がましいかもしれませんが、α線はアルファ粒子（ヘリウム原子核）が高速に飛んでいるもので、電離作用（早い話がイオンです）はありますが電磁波とは異なります。また、ベータ線は中性子が飛んでいるものですので、これも厳密には電磁波とは異なります。 電磁波で最も波長の短いのはガンマ線になります。
- tosiki
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私の知っている限りです。 光とは、電磁波の一種です。（電波の親戚です） 赤外線は波長が低く、次に可視光線があり、紫外線は波長が高くなります。 その上の周波数にX線、ガンマ線、ベータ線、α線と続きます。 ガンマ線は磁力で曲がります。 α線は光に似た特性を持っています。 太陽光ですが、核融合の発光の害の無い部分だと考えています。（ここから熱エネルギーが発生します） 木を燃やせば熱が発生した光が取り出せます。 電気を利用した光ですが、 電子のみを利用した光ですので熱エネルギーは低いようです。 また、広範囲の波長を発生出来ないようです。 ここが太陽光と違う部分かもしれませんね。＾＾ 参考URLです。 理科年表が最も疑問を取り除いてくれるはずです。
お礼
ありがとうございます。電磁波というのは何ですか。東京タワーから送られてくる電波も電磁波ですか？電波は目に見えないですけど、なぜ光は見えるのでしょう。すみません素人の素朴な疑問です。
- 12m24
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光といわれているのは、電磁波の一種で、その中で人間が視覚で反応するものを言います。 熱によって物体が光る現象は熱放射といわれ、表面物質と温度によって放射される電磁波の強さとピークの波長が異なります。 なお、すべての物質は常温でもこの電磁波を放射していて、何も入力されていないスピーカーで「しゅわ～」となっているのは、この電磁波によるものです。 工学としては、伝熱工学で熱放射が詳しく取り扱われているので、図書館で探してみてください。
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お礼
ありがとうございます。光子一つ一つに情報を載せて数えるなんてものすごいことですね。光子はイメージ的にいうと人間の目に常に飛び込んできているのですか？それによって私たちは色や形を認識しているのでしょうか。完全な暗室では光子はゼロで、明かりをつけた瞬間に無数の光子が部屋中に充満すると言うイメージはまちがっていますか。