TENSAI-UFO．．．天才UFO vr2.0

Ｑ６３：　日焼けをするのは、太陽の熱い光線が肌にあたり、やけどを起こさせるためである、これは本当か？

　光とは目に見える電波のことだが（電気・磁気8話参）、電波は波の特性である「周波数：ν」と「振幅：a」によって特徴付けられる。周波数とは波が１秒間に振動する回数、振幅とは波の振動幅の大きさの事だが、波のエネルギーとはいったい何であろうか？通常は振幅 aの大きさの２乗（a×a）と考えられている。ところで、日焼けするほどの光はエネルギーが強いからだが、赤外線と呼ばれる振動数νの低い光はいくら強度が強くても、熱いだけで日焼けはしない。事実、ストーブにいくら手をかざしても日焼けはしない。一方、太陽光にはUVと呼ばれる周波数νの高い紫外線があり、強度（振幅）が弱くても肌に炎症（化学変化）を起こさせ、日焼けを生じさせる。アインシュタイン（Albert Einstein、独、1879～1955年）が不思議に思った「光電効果」とは、この日焼けに似た現象であった。

　金属に光を当てると、金属の表面から空間に電子が飛び出すのだが（光電効果と呼ばれ、昔はTVの撮像管に利用された）、周波数νの低い光をどれほど強烈に当ててもこの現象は生じない。しかし周波数νの高い光なら微弱光（＝弱いエネルギー量）であっても電子が飛び出す、つまり日焼けと同じ現象である。強い光でも周波数が低いと生じず、弱い光でも周波数さえ高ければ生じるこの現象は一体何故起こるのだろう？アインシュタインはプランクのエネルギー量子仮説「光のエネルギー＝h×ν」（量子・相対論１話）に注目した。そしてプランク自身も理解できなかったこの仮説の意味を次のように解釈したのである。

「光はそれ以上細かく分解できない粒子から成り、１粒のエネルギー量hν、運動量hν/cを持ち、空間を光速cで進む」

そしてこの光の粒を「光量子」（現在は光子：photon）と呼んだ（1905年；光量子仮説）。

　この「光＝粒子」仮説を用いると、周波数νの高いUV光は１粒の光子が強いエネルギーを持つため、１個の電子１個がその光子の持つ強いエネルギーを吸収して、金属の外へ飛び出す事ができるようになる（金属原子内部の束縛から自由になる）。しかし、周波数νの低い赤外線は１粒あたりのエネルギーが小さいため、電子は同時に複数個の光子を吸収しにくい事より、電子は金属から外に飛び出すだけのエネルギーが獲得できず、金属内部にとどまることになる。アインシュタインはこのようなモデル仮説を発案する事で、見事に光電効果のメカニズムを説明したのである。この現象は従来の「光は波である」というモデル（描像）では全く説明できなかった。（その場合、周波数の低い赤外線でも吸収量を多くしてエネルギーを増やせば光電効果が生じる事になってしまう）

　光は果たして粒子か波か？という科学上の議論は、「波説」が勝利して１９世紀に終わったはずであった。実際、光の干渉現象（電気・磁気４話）や電磁波の理論（電気・磁気８話）で波モデルの科学的根拠も明確になっていたし、プランクもそんな大それたことは考えてもいなかったのである。しかし、それまで科学的実績の全くなかった26歳の特許庁勤めのサラリーマン（当時のアインシュタイン）が、とんでも無いことを言い出し論文を書いた、そして結果的にそれは正しかったのだ。その後、このアインシュタインのモデルでないと説明できない現象が出てきたのである。それはX線（これも波長の超短い光）を原子に当てたときの散乱現象、「コンプトン効果」と呼ばれるのだが、散乱されたX線の周波数が、なんと散乱前の周波数に比べて、低くなっていたのである。（コンプトン（Arthur Holly Compton、米、1892～1962年）が1923年に発見し1927年にノーベル賞受賞）こんなことは「波」では生じるはずが無く（波なら周波数は変わらない！）、アインシュタインの粒子モデルだと原子中の電子にぶつかった光粒子が一部のエネルギー（hΔν）を失い、ΔνだけX線の周波数が下がるという、粒子同士の衝突モデルで簡単に説明できてしまうのである。２０世紀に入り、光の正体はニュートン以来再び「粒子」ということになるのだろうか？（ニュートンは光の粒子説を主張していた、道具・力学１７話参）。２０世紀に入りまたもや「光」の素性が混とんとして来たのである。

　それにしてもこの粒子説、ちょっと変ではないか？「光はhνのエネルギーを持つ粒子である」という定義の中に、波動性の象徴である「周波数ν」が入っている。これはどう言うことだろう、粒子の定義の中で相反する波動性を使っているのだ！「そういうものだ」と割り切って、それ以上考えない事も意外と科学ではよくある。例えば、ニュートンの万有引力の法則やクーロンの法則は「力は距離の２乗に反比例する」という法則だが、その理由は不明である。「そういうものだ」という事しかできない。しかしこの光粒子説にはもう少し深い意味があり、恐るべき事実がその後の実験でわかって来たのである。

　光の波動性を決定付けたかに見えた２スリットによるヤングの干渉実験、この実験を粒子的な視点で行った時、信じられない結果が得られたのである。その実験とは、光を弱くして１粒の光子のみが光源から出て、２つのスリット（のどちらか）を通り抜け測定器（もしくはフィルム）で検出する。この検出時間内で次の２個目の光子が入ってこないようにおそしく暗い状態にして、長時間の積算実験を行ったのである。つまり光が波として干渉しないように工夫した「ヤングの干渉計実験」であった。粒子が１個づつポツリポツリと２スリットのどちらかを抜けて捕獲され、そのデータが積もり積もってゆく、気の長くなるような実験だが、これでとんでもない結果が現れた。なんと「波の干渉パターンが記録された」のである。つまり1個の光の粒子がそれ自体波の性質を潜在的に持っていて、１粒にも係わらず干渉効果を生じさせた事になる。これにより光とは粒子でもあり波でもある二重性を有する物体と解釈されることになった。この実験が示された２０世紀半ばに、ようやく人類は光の奇妙な性質をようやく正しく理解できるようになったのである。アインシュタインの粒子説から５０年近くを要し、この混乱（粒子か波か）にようやく収拾がついたのだ。つまり「波か粒子かの」どちらか一方ではなく「波でもあり粒子でもある」という両方の性質を持つ存在物という、２重人格性が理解ができた。そしてなんとこれは光に留まらないことが暴かれて行く事になる。それは「電子の波動性」というさらに奇妙奇天烈な性質であった（量子・相対論６話）。

宿題６３：光という粒子の重さ（質量）はいくらか？

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