光は、電磁スペクトルの特定部分内の電磁放射である。 言葉は、通常、人間の目に見え、視覚の原因となる可視スペクトルである可視光を指す。 可視光は、通常、赤外線(より長い波長を有する)と紫外線(より短い波長を有する)との間で400~700ナノメートル(nm)、または4.00×10-7~7.00×10-7mの範囲の波長を有するものとして定義される。 。 この波長は、約430-750テラヘルツ(THz)の周波数範囲を意味する。

地球上の主な光源は太陽です。 太陽光は緑色の植物が砂糖の形で主に砂糖を作り出すのに使うエネルギーを提供します。砂糖はそれを消化する生き物にエネルギーを放出します。 光合成のこのプロセスは、生物によって使用される事実上すべてのエネルギーを提供します。 歴史的に、古代のキャンプファイヤーから現代の灯油ランプに至るまで、人間のためのもう一つの重要な光源が火災であった。 電気照明と電力システムの開発に伴い、電気照明は事実上火災に取って代わりました。 いくつかの動物種は、生物発光と呼ばれる独自の光を生成します。 例えば、ホタルは仲間を見つけるために光を使い、吸血鬼はそれを使って獲物から身を隠す。

可視光の主な特性は強度、伝搬方向、周波数または波長スペクトル、偏光ですが、真空中での速度は毎秒299,792,458メートルで、基本的な性質の1つです。 すべてのタイプの電磁放射(EMR)と同様に、可視光は真空中で常にこの速度で移動することが実験的に判明しています。

物理学では、光という用語は、可視かどうかに関係なく、任意の波長の電磁放射を指すことがあります。 この意味で、ガンマ線、X線、マイクロ波、電波も軽い。 すべてのタイプのEM放射線と同様に、可視光は波として伝播します。 しかし、波によって与えられるエネルギーは、粒子が吸収される方法で単一の場所で吸収される。 EM波の吸収エネルギーは光子と呼ばれ、光の量子を表す。 光の波が変換され、光子として吸収されると、波のエネルギーはただちに単一の場所に崩壊し、この位置は光子が「到着する」場所です。 これが、波動関数の崩壊と呼ばれるものです。 この光の二重波様粒子状の性質は、波 – 粒子二重性として知られている。 光学の研究は、現代物理学における重要な研究分野です。

電磁スペクトルと可視光
一般的に、EM放射線またはEMR(静電気および磁気および近接場を除外した「放射線」という表示)は、波長によってラジオ、マイクロ波、赤外線、光、紫外線、X線およびガンマとして認識する可視領域に分類されるレイ。

EMRの挙動は、その波長に依存する。 より高い周波数はより短い波長を有し、より低い周波数はより長い波長を有する。 EMRが単一の原子および分子と相互作用するとき、その挙動はそれが運ぶ量子のエネルギー量に依存する。

可視光領域のEMRは、分子の電子励起を引き起こすことができるエネルギーの下限にある量子(分子の結合または化学変化の変化をもたらす)からなる量子光子(フォトンと呼ばれる)からなる。 可視光スペクトルの下端では、ヒトの網膜内の視覚分子レチナールにおいて、その光子がもはや持続的な分子変化(コンホメーションの変化)を引き起こすのに十分な個々のエネルギーをもたないので、EMRは人間には見えなくなる(赤外線)。変化はビジョンの感覚を引き起こす。

さまざまなタイプの赤外線に敏感な動物が存在しますが、量子吸収によってではありません。 ヘビの赤外線感知は、赤外線によって細胞水の小さなパケットが温度上昇する自然な熱イメージングの種類に依存します。 この範囲のEMRは、分子振動および加熱効果を引き起こし、これはこれらの動物がそれを検出する方法である。

可視光線の範囲を超えると、紫外線は360nm以下の角膜と400以下の内部レンズに吸収されるため、人間には見えなくなります。さらに、人間の目の網膜にある棒や錐体は、紫外線波長が短く(360nm未満)、紫外光によって実際に損傷を受ける。 レンズを必要としない目を持つ多くの動物(昆虫やエビなど)は、人間が可視光を検出するのとほとんど同じ化学的方法で、量子光子吸収メカニズムによって紫外線を検出することができます。

様々な光源は、420〜680nmの狭い範囲から380〜800nmの広い範囲の可視光を規定する。 理想的な実験条件下では、人々は少なくとも1050nmまでの赤外線を見ることができます。 小児および若年成人は約310〜313nmまで紫外線波長を知覚することがある。

植物の成長は光の色スペクトル、光形態形成(photomorphogenesis)として知られるプロセスによっても影響を受ける。

光の速度
真空中の光の速度は、正確に299,792,458m / s(約186,282マイル/秒)と定義されています。 SI単位での光速の固定値は、メーターが光の速度に関して定義されているという事実から生じる。 全ての形態の電磁放射は、真空中で全く同じ速度で動く。

異なる物理学者は、歴史を通して光の速度を測定しようと試みてきた。 ガリレオは17世紀の光の速度を測定しようとしました。 光の速度を測定するための初期の実験は、1676年にデンマークの物理学者Ole Romerによって行われました。 Ioの軌道の​​見かけの周期に矛盾があることに注目して、彼は、地球の軌道の直径を横切るのに約22分かかります。 しかし、その時のサイズは分かっていなかった。 Rømerが地球の軌道の直径を知っていたなら、彼は227,000,000m / sの速度を計算したでしょう。

光の速度の別の、より正確な測定は、 ヨーロッパ Hippolyte Fizeauによって1849年に作られました。フィゾーは数キロ離れた鏡で光のビームを向けました。 回転歯車は、光源からミラーに向かう光ビームの経路に配置され、その後、その原点に戻された。 フィゾーは、一定の回転速度で、ビームが途中の車輪の1つのギャップと途中の次のギャップを通過することを発見しました。 ミラーとの距離、歯車の歯数、回転速度を知ることで、Fizeauは光の速度を313,000,000m / sと計算することができました。

LéonFoucaultは1862年に回転ミラーを用いて298,000,000m / sの値を得た実験を行った。アルバート・A・マイケルソンは1977年の死から1831年にかけての光の速度について実験を行った。フーコーの方法は1926年に改良回転ミラーを使ってウィルソン山から往復する時間を測る マウント サンアントニオ に カリフォルニア 。 正確な測定値は299,796,000m / sの速度をもたらした。

通常の物質を含む様々な透明物質中の光の実効速度は、真空中よりも低い。 例えば、水中の光の速度は、真空中の光の速度の約3/4である。

物理学者の2つの独立したチームは、ルビジウム元素のボーズ・アインシュタイン凝縮物を通過させることによって、「完全な停止」に光をもたらすと言われました。 ハーバード 大学 とRowland Institute for Scienceで ケンブリッジ 、 マサチューセッツ州 、もう一方は ハーバード・スミソニアン センター 天体物理学のために、また ケンブリッジ 。 しかしながら、これらの実験において光が「停止」されているという一般的な記述は、第2のレーザパルスによって刺激されるように、原子の励起状態で貯蔵され、次に任意の後の時間に再放出される光のみを指す。 それが「停止」していた間、それは軽くなるのをやめました。

光学
光の研究と光と物質の相互作用は光学と呼ばれています。 虹やオーロラボリアリスなどの光現象の観察と研究は、光の性質について多くの手掛かりを提供します。

屈折

光の屈折の一例。 ストローは、空気から液体に入る光の屈折のために曲がって見える。

屈折は、一方の透明材料と他方の透明材料との間の表面を通過するときの光線の曲がりである。 それはスネルの法則によって記述されている:


ここで、θ1は、第1の媒質における光線と表面法線との間の角度であり、θ2は、第2の媒質における光線と表面法線との間の角度であり、n1およびn2は、真空における屈折率であり、n = n> 1である。

光のビームが真空と他の媒体との間、または2つの異なる媒体間の境界を横切るとき、光の波長は変化するが、周波数は一定のままである。 光のビームが境界に対して直交していない(またはむしろ正常でない)場合、波長の変化はビームの方向の変化をもたらす。 この方向の変化は、屈折として知られている。

レンズの屈折率は、画像の見掛けのサイズを変えるために光を操作するために頻繁に使用される。 拡大鏡、眼鏡、コンタクトレンズ、顕微鏡、屈折望遠鏡はすべてこの操作の例です。

光源
多くの光源があります。 所定の温度の物体は、黒体放射の特徴的なスペクトルを放射する。 単純な熱源は太陽光で、約6,000ケルビン(摂氏5,730度、華氏10,340度)の太陽の発色圏によって放射される放射線は、波長単位でプロットされた電磁スペクトルの可視領域でピークになり、日光エネルギーの約44%地面に到達することが見える。 もう一つの例は白熱電球で、可視光として約10%のエネルギーしか放出せず、残りは赤外線として放出します。 歴史の中で一般的な熱源は炎の中にある固体の粒子ですが、赤外線の放射の大半を放射し、可視スペクトルの一部しか放出しません。

黒体スペクトルのピークは、人間のような比較的冷たい物体の場合、約10マイクロメートルの深さの赤外線にある。 温度が上昇するにつれて、ピークはより短い波長にシフトし、最初に赤色の輝きを生成し、次いで白色のスペクトルを生成し、最後に青色の白色をスペクトルの可視部分から紫外領域に移動させる。 これらの色は、金属が “赤い暑い”または “白い暑い”に加熱されたときに見られます。 星の中では青い白色の熱放射はしばしば見られません(ガス炎の一般的に見られる純粋な青色または溶接機のトーチは実際にCHラジカル(425nm付近の波長帯を放出する分子ラジカル、星や純粋な熱放射には見られません)。

原子は、特徴的なエネルギーで光を放出し、吸収する。 これは、各原子のスペクトルに「輝線」を作り出します。 発光ダイオード、ガス放電ランプ(ネオンランプやネオンサイン、水銀ランプなど)、炎(ホットガス自体の光ですので、例えばナトリウムガス火炎が特徴的な黄色光を放出する)。 レーザーまたはマイクロ波メーザーのように、放出を刺激することもできます。

電子などの自由に荷電した粒子を減速させることで、可視光線を生成することができます。サイクロトロン放射光、シンクロトロン放射光、制動放射線などがその例です。 その媒体中の光の速度よりも速く媒質中を移動する粒子は、可視のチェレンコフ放射を生成することができる。 特定の化学物質は、化学発光によって可視放射線を生成する。 生物では、このプロセスは生物発光と呼ばれています。 例えば、ホタルはこの手段で光を生み出し、ボートは水を通って移動するとプランクトンを乱し、輝く目覚めを起こすことがあります。

特定の物質は、より高エネルギーの放射線(蛍光として知られるプロセス)によって照射されると光を生成する。 いくつかの物質は、より強力な放射線による励起後にゆっくりと発光する。 これは燐光として知られている。 燐光物質は、亜原子粒子でそれらを衝撃することによって励起することもできる。 陰極ルミネセンスは一例である。 この機構は、陰極線管テレビジョン及びコンピュータモニタに用いられる。

特定の他のメカニズムが光を生成することができます:

生物発光
チェレンコフ放射
エレクトロルミネッセンス
シンチレーション
Sonoluminescence
トリボルミネッセンス

光の概念が非常に高エネルギーの光子(ガンマ線)を含むように意図されているとき、

粒子反粒子消滅
放射性崩壊

軽い圧力
光は、その経路にある物体に物理的な圧力を加えます。これは、マクスウェルの方程式によって導かれる現象ですが、光の粒子の性質によってより簡単に説明できます。 光圧は、光線のパワーをcで割った光の速度に等しい。 cの大きさのために、軽い圧力の影響は、毎日の物体に対して無視できる。 例えば、1ミリワットのレーザポインタは、照射される物体上に約3.3ピコニュートンの力を加える。 したがって、レーザーポインターでアメリカのペニーを持ち上げることができますが、そのためには約300億個の1mWのレーザーポインターが必要になります。 しかし、ナノ電気機械システム(| NEMS)のようなナノメートルスケールのアプリケーションでは、軽い圧力の影響がより顕著であり、NEMSメカニズムを駆動し、ナノメートル規模の物理スイッチをフリップフロップにする軽い圧力を利用して、 。 より大きなスケールでは、軽い圧力が小惑星をより速く回転させ、風車の羽根のような不規則な形状に作用させる可能性があります。 宇宙の宇宙船を加速するソーラーセイルの可能性も検討中です。

Crookes放射計の動きはもともと軽い圧力に起因していましたが、この解釈は間違っています。 特徴的なクローク回転は、部分真空の結果である。 これはニコルスラジオメーターと混同してはいけません。ニコルスラジオメーターでは、トルクによって引き起こされる(わずかな)動きが軽い圧力によって直接引き起こされます。 軽い圧力の結果として、1909年のアインシュタインは物質の動きに反対する「放射摩擦」の存在を予測した。 彼は次のように書いています。「放射線はプレートの両側に圧力をかけます。 プレートが静止している場合、両側に作用する圧力の力は等しい。 しかし、動きがあると、動きよりも前(前面)の方が背面よりも多くの放射線が反射されます。 したがって、前面に作用する後退力は背面に作用する後退力よりも大きい。 したがって、2つの力の結果として、プレートの動きに反作用し、プレートの速度と共に増加する力が残る。 私たちはこの結果を「放射摩擦」と呼んでいます。

光についての歴史的理論、時系列順
紀元前5世紀に、Empedoclesはすべてが4つの要素で構成されていると仮定しました。 火、空気、土および水が含まれます。 彼は、アフロディーテが4つの要素のうち人間の目を作ったと信じ、視力から出てきた目の中で炎を照らした。 これが真実であれば、夜間だけでなく、日中も見ることができるので、Empedoclesは目からの光線と太陽などの光源からの光線との相互作用を想定していました。

紀元前300年頃、 ユークリッド 彼は光の性質を研究したOpticaを書きました。 ユークリッド 光が直線的に移動し、反射の法則を記述し、数学的にそれらを研究したと仮定した。 彼は視力は目からの梁の結果であると疑問を呈した。目を閉じるとすぐに星を見る方法を尋ね、夜にそれを開く。 目からのビームが無限に速く進む場合、これは問題ではありません。

紀元前55年に、古代ギリシア人の原子力派のアイデアを取り入れたローマ人のルクレティウスは、「太陽の光と熱、これは微細な原子で構成されています。ショブによって与えられた方向の空気の間隙 “と呼ばれる。 (宇宙の本質から)。 後の粒子理論に似ているにもかかわらず、ルクレティウスの意見は一般的に受け入れられませんでした。 プトレマイオス(第2世紀のc)は、彼の著書「オプティクス」の光の屈折について書きました。

クラシック インド
古代に インド 、ヒンズー教の学校のSamkhyaおよびVaisheshika、初期の世紀のまわりでAD開発した光に関する理論。 Samkhyaの学校によると、光は5つの基本的な「微妙な」要素(tanmatra)のうちの一つであり、そこから全体要素が出てきます。 これらの要素の原子性は特に言及されておらず、実際には連続しているように見える。 一方、Vaisheshika学校は、物理的な世界の原子理論をエーテル、空間、時間の非原子的地面に与えます。 基本原子は地球(prthivi)、水(pani)、火(agni)、空気(vayu)の原子である。光線は、高速度のテジャ(火)原子の流れとして取られる。 光の粒子は、速度およびテージャ原子の配置に応じて異なる特性を示すことができる。 ビシュヌ・プラーナは太陽光を「太陽の7つの光線」と呼んでいます。

5世紀のDignāgaや7世紀のDharmakirtiのようなインドの仏教徒は、光やエネルギーの瞬間的なフラッシュである原子実体からなる現実についての哲学である一種の原子論を開発しました。 彼らは光をエネルギーと同等の原子実体と見ていました。

デカルト
RenéDescartes(1596-1650)は、光は、Ibn al-HaythamとWiteloの「形」とBacon、Grosseteste、Keplerの「種」を拒否して、発光体の機械的性質であると主張しました。 1637年に彼は光の屈折の理論を公表した。それは、密度の低い媒体よりも密度の高い媒体で光がより速く移動すると誤って仮定した。 デカルトはこの結論に音波の挙動との類推によって到着した。 デカルトは相対速度に関しては間違っていたが、光は波のように振る舞い、屈折が異なる媒体の光の速度によって説明できると仮定して正しい。

デカルトは、機械的類推を初めて使用するのではなく、光が発光体と伝送媒体の機械的性質に過ぎないと主張しているため、デカルトの理論は現代の物理光学の始まりとみなされています。

粒子理論
アトミストであるピエール・ガッセンディ(Pierre Gassendi、1592-1655)は、1660年代に死後に発表された光の粒子理論を提案した。 アイザック・ニュートンは、ガッセンディの研究を幼少時代に研究し、デカルトのプレナム理論に対する彼の見解を好んだ。 彼は、1675年の光の仮説では、光が、光源からあらゆる方向に放出された小片(物質の粒子)から構成されていると述べている。 の一つ ニュートン 光の波の性質に対する波の主張は、波が障害物の周りで曲がることが知られていたのに対し、光は直線でしか伝わらないということでした。 しかし、彼は軽い粒子がオード中に局在化した波を作り出すことを可能にすることによって(Francesco Grimaldiによって観察された)光の回折現象を説明した。

ニュートン 光の反射を予測するのに使うことができるが、重力引っ張りがより大きかったために密度の高い媒体に入射すると光が加速されると誤って仮定して屈折を説明することしかできなかった。 ニュートン 1704年のOpticksで彼の理論の最終版を発表した。彼の評判は、光の粒子理論が18世紀に揺らいでいるのを助けた。 光の粒子理論は導かれた ラプラス 光がそれから逃れることができないように体が大量になる可能性があると主張する。 言い換えれば、それは現在ブラックホールと呼ばれるものになるでしょう。 ラプラス 光の波の理論が光のモデルとしてしっかりと確立された後に、彼の提案を後に取り下げた(これまで説明したように、粒子理論や波動理論は完全に正しいものではない)。 の翻訳 ニュートン 光に関するエッセイは、Stephen HawkingとGeorge FR Ellisによる「時空の大規模構造」に現れています。

光が偏光することができるという事実は、最初に定性的に説明された ニュートン 粒子理論を使って 1810年にÉtienne-Louis Malusが数学的な偏極理論を作り出しました。 1812年のJean-Baptiste Biotは、この理論が光分極のすべての既知の現象を説明したことを示しました。 その時、偏極は粒子理論の証明とみなされました。

波の理論
色の起源について説明するために、Robert Hooke(1635-1703)は “パルス理論”を開発し、1665年の作業Micrographia( “Observation IX”)で水の波の広がりと光の広がりを比較しました。 1672年、ホークは光の振動が伝播の方向に垂直である可能性があることを示唆した。 Christiaan Huygens(1629-1695)は1678年に光の数理波理論を研究し、1690年に光の論文を発表した。彼は、光がルミネッセンスエーテルと呼ばれる媒質中で一連の波としてあらゆる方向に放出されると提案した。 波は重力の影響を受けないので、密度の高い媒質に入ったときに波が遅くなると考えられました。

Christiaan Huygens。
波の理論は、光波が音波のように互いに干渉する可能性があると予測した(Thomas Youngによって1800年頃に述べられているように)。 ヤングは光が波として振る舞っていることを回折実験によって示した。 彼はまた、異なった色が光の異なる波長によって引き起こされ、眼の3色の受容体の観点から色覚を説明することを提案した。 波理論のもう一つの支持者はLeonhard Eulerでした。 彼は、Nova theoria lucis et columum(1746)では、波の理論によって回折がより簡単に説明できると主張した。 1816年、André-MarieAmpèreはAugustin-Jean Fresnelに、光が横波であれば波の理論によって光の偏光を説明できるとの考えを示しました。

その後、フレズネルは独自の波動理論を独自に研究し、1817年にAcadémiedes Sciencesに発表しました。シネオン・デニス・ポアソンは、フレネルの数学的研究に、波理論に賛成の説得力のある議論を加え、転覆を助けました ニュートン の微視的理論。 1821年までに、フレネルは、光の波動論によって偏光が説明され、光が完全に横切っていて、縦振動が全くない場合にのみ、数学的方法によって示すことができました。

波の理論の弱点は、音波のような光の波が伝送のための媒体を必要とすることであった。 1678年にホイヘンスによって提唱された仮説物質の輝きのあるオータの存在は、マイケルソン=モルレーの実験によって、19世紀後半に強く疑われた。

ニュートン フイゲンズの波の理論とそれ以外のことを暗示しながら、密度の高い媒質では光がより速く進むことを示唆していた。 その時、どの理論が正しいかを決定するのに十分な精度で光速を測定することはできませんでした。 十分に正確な測定を行う最初のものは、1850年にLéonFoucaultでした。彼の結果は波の理論を支持し、古典的な粒子理論は最終的に放棄され、20世紀に部分的に再出現しました。

電磁気理論

直線的に偏光された光波が時間的に凍結し、光の2つの振動成分を示す3次元レンダリング。 互いに直交する方向及び運動方向(横波)に電界及び磁界を印加する。
1845年、ファラデー回転として知られている効果である透明誘電体の存在下で、光線が磁界方向に沿って進むと直線偏光の偏光面が回転することがMichael Faradayによって発見された。 これは光が電磁気に関連している最初の証拠であった。 1846年には、光が磁力線に沿って伝播する何らかの形の外乱であると推測されていました。 ファラデーは1847年に光が高周波電磁振動であることを提案しました。これはエーテルのような媒体がなくても伝播する可能性があります。

ファラデーの研究は、電磁放射と光を研究するためにジェームズ・クラーク・マクスウェルに影響を与えました。 マクスウェルは、自己伝搬する電磁波が、以前に測定された光の速度と等しい一定の速度で空間を通過することを発見した。 これから、光は電磁波の一種であると結論づけた。彼は最初に物理的な力線で1862年にこの結果を述べた。 1873年に、電気と磁場の挙動を完全に数学的に記述した、電気と磁気に関する論文を出版した。これはまだマクスウェル方程式として知られている。 その後、Heinrich Hertzは、実験室で電波を生成して検出し、反射、屈折、回折、干渉などの特性を示す可視光のように動作することを実験的に検証し、Maxwellの理論を実験的に確認しました。 マックスウェルの理論とヘルツの実験は、近代的なラジオ、レーダー、テレビ、電磁画像、無線通信の発展に直接つながった。

量子論では、光子はマクスウェルの古典理論に記述された波の波のパケットとして見えます。 量子論は、マックスウェルの古典理論ができなかった(スペクトル線などの)視覚光でさえ効果を説明するために必要でした。

量子論
マックスプランク(Max Planck)では、黒い物体の放射線を説明しようとすると、光は波であったが、これらの波はその周波数に関連した有限の量でしかエネルギーを得ることができないことが示唆された。 プランクはこれらの光エネルギーを「量子」と呼んでいます(「いくら」のラテン語から)。 1905年、アルバート・アインシュタインは、光電効果を説明するために光量子の概念を用い、これらの光量子が「真の」存在を示唆した。 1923年、Arthur Holly Comptonは、電子から散乱した低強度のX線(いわゆるコンプトン散乱)がX線の粒子理論によって説明できるが、波の理論では説明できないことを示した。 1926年にGilbert N. Lewisはこれらの軽い量子粒子光子を命名した。

結局のところ、量子力学の現代の理論は、(ある意味では)粒子と波の両方、そして(別の意味では)粒子でも波でもない現象として光を描くようになった(実際にはマクロ的な現象である野球や波のように)。 むしろ現代物理学は、ある種の巨視的なメタファー(粒子)、時には別の巨視的なメタファー(水の波)に適した数学で時には記述できるものとして光を見ていますが、実際には完全に想像できないものです。 物理学者は、電波とコンプトン散乱に関与するX線の場合と同様に、電磁波は低周波では古典的な波のように振舞う傾向があるが、高周波数では古典的な粒子に近い傾向があるが、どちらか一方の資質。 可視光は、周波数の中間地位を占め、波または粒子モデル、または時には両方を使用して記述可能であることを実験で容易に示すことができます。

2018年2月、科学者たちは、量子コンピュータの開発に役立つ可能性のある、ポラリトンを含むかもしれない新しい形の光の発見を初めて報告しました。

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