物理学

物理学

光って何?

太陽の熱は真空の中どうやって地球まで届くのか教えてください - Yahoo!知恵袋

なんでなんだろう・・・

光で届きます。

太陽で熱だったものが光の形で宇宙空間を伝わり、地球に届いてから熱に変わります。

より詳しく言うと、光以外にX線や紫外線や赤外線や電波などもありこれらを総称して電磁波といいます

紫外線はオゾンがで、赤外線は二酸化炭素が、可視光線は地面が吸収して熱に変えます。

このような熱の伝わり方(光などの電磁波で熱を伝える)を 「放射」 といいます。

なるほどー


光は真空でも届くの? そもそも光ってなに? 光は電磁波の一部?


電磁波とは

電磁波の正体

空気のない真空中では音波は伝わりませんが、光は伝わります。光の媒質は空気ではありません。実は光は、振動する電場と磁場が垂直に組み合わさったもので、その振動が電場と磁場の両方に直角な方向に光の速さで伝える波なのです。

うーん、電場と地場ってなんだ!

物理の世界では、場という考え方があります。例えば、磁石を思い浮かべてみてください。鉄を磁石に近づけると、接していなくても鉄は磁石に引きつけられます。つまり、磁石のまわりの空間が、鉄に磁気の力(磁力といいます。)を伝える特別な状態になっていて、その空間によってその磁力が鉄に伝えられていると考えられます。この空間のことを場、特にここでは磁場といいます。

また、電気をもつ物体(電荷といいます。)にも磁石と同じような性質があり、それによって作り出される場のことを、電場といいます。

光はこの電場と磁場が組み合わさってできているというわけです。

空間が磁力や電力を伝えるというのがいまいちよくわからん。。。

真空でも電場とか地場はあるの? 何もないんじゃないの?

重力、電磁力、強い力、弱い力 の四つの力とか、関係ある?


本当に光は波の仲間なの?

さて、波である光、つまり電磁波では、何が「振動」してどのように「伝わってゆく」のであろうか、という問題に戻ろう。プラスチックの下敷きを布でこすると、下敷きに電気が貯まることを知っている。このとき、髪の毛やほこりがこの下敷きに吸い寄せられる。つまり、貯まった電気は、これが貯まっている場所から離れたところにある別のものに力を及ぼす、つまり離れたところに影響を与えることができる。また、磁石は離れたところにある鉄などを引き寄せることも知っている。つまり、磁気も、これが貯まっている場所から離れたところに影響を与えることができる。このように、電気も磁気も離れた場所に影響を及ぼすことができる性質が、電磁波が波として伝わってゆく原理なのである。

ふんふん

アンテナには、まず振動する電気が与えられる。すると、まわりに振動する磁気が発生する。この振動する磁気は、さらにそのまわりに振動する電気を発生する。このように、電気の変化と磁気の変化が互いに連続して繰り返し起こされることにより、電気と磁気の「振動」が波として周囲に「伝わってゆく」ことになる(図3)。つまり、電磁波が伝わるためには、電気と磁気があれば十分である。水面の波を伝えるには、もちろん水が必要である。音を伝えるには空気が必要である。しかし、電磁波を伝えるのには何もいらない。なぜならば、電気の変化が磁気の変化を作り、その作られた磁気の変化がまた電気の変化を作るからである。何も存在しない真空である宇宙空間を光や電波が伝わるのは、この電磁波の特別な性質のためである。

わかったようなわからんような。よくわからんけど伝わるのか。

で、光とは

光(ひかり)は、電磁波の一種。おもに可視光線のことだが、赤外線・紫外線を含めていうことも多い。

光は波動と粒子の二重性をもち、波動であることを強調する場合は光波、粒子であることを強調する場合は光子と呼ばれる。

呼び方が二つあるのか。

光源や観測者の速度にかかわらず「相対速度が変化しない」という特徴を持つ。

光の波動性

波動としての光を光波と呼び、反射・屈折・回折などの現象を起こす。ヤングの干渉実験により光の波動説として証明され、その後マクスウェルらにより光は電磁波であることが示された。厳密にはマクスウェルの方程式で記述されるベクトル波であり偏光を持つが、波動光学では簡略化のためにスカラー波として扱うことが多い。

光の粒子性

粒子(量子)としての光を光子(光量子)という。光子は電磁場の量子化によって現れる量子の1つで、電磁相互作用を媒介する。ニュートンの光の粒子説によって唱えられた。現在の光子の概念はアインシュタインによって提唱された。

ふんふん、そんで?

「光は粒子か波か?」

この問題は、かつてよく議論された。何故なら、光が波でなければ説明がつかない現象(たとえば光の干渉、分光など)と、光が粒子でなければ説明のつかない現象(光電効果など)が、どちらも明確に確認できたからである。

この問題は、20世紀前半から後半にかけて「量子力学」という学問分野が確立していく中で、「光は粒子でもあり波でもある。粒子と波の両方の性質を併せ持つ、量子というものである」という事が確かめられ、決着がついた。この量子の持つ特異な性質のことを指して、「光は〈粒子性〉と〈波動性〉を併せ持つ」と表現することがある(量子の詳しい性質については記事:量子を参照)。

現在では呼び方として、光の粒子性に重点を置く場合は「光子」、波動性に重点を置く場合には「光波」、光が粒子と波の二面性を持った量子である、という点に重点をおく場合は光量子と言う。

「粒子と波の両方の性質を併せ持つ」のが量子なの?

「粒子と波の両方の性質を併せ持つ」ようなよくわからない光というものが真空中を伝わってきたりするってことなのか?

で、電磁波って?

電磁波 - Wikipedia

電磁波(でんじは)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。

ここまでは良しとしよう。

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。そのため、電磁放射とも呼ばれている。

空間そのものが振動するの? っていうのがよくわからん。空間そのものが振動するって。「重力で空間が歪む」とかいうのと同じ感じで空間が振動するのかしら。


空間とは

空間 - Wikipedia

ニュートン力学における物理的空間は、現象の起きる舞台となる空っぽの容器で、無限に広がる3次元ユークリッド空間と考えられていた。

ここまでは普通。

だがアインシュタインの一般相対性理論以来、重力は空間の歪みと考えられ、空間は曲率がゼロのユークリッド空間ではなく一般にはリーマン空間で表されることになった。そして重力の源は質量であるので、空間は内部の物体とは無関係に存在する単なる容器ではなく、内部の質量自体が空間の構造に影響を与えていることになる。

リーマン空間が何かよくわからんが、非ユークリッドで何か歪んだ空間なわけね。

「重力は空間の歪み」なのか。

また量子力学では、真空も何もないのではなくエネルギーを持つと考えられている。例えば「ディラックの海」、「カシミール効果」を参照のこと。

わからんがなんか名前がかっこいいのであとで読む。

エーテル説

直感的には空間にエーテルが充満しててそれが光とかを伝導するってのなら納得できるんだけど、それは違うんだよね。

エーテル (物理) - Wikipedia

エーテル(Aether)は、19世紀以前の物理学で、空間に充満していると仮想されていた物質。イーサー(Ether、Aether)ともいう。

またエーテルは、コンピュータネットワークのイーサネットの語源にもなっている。

えーと、ここまででわからんこと

  • 電界とか電場と電気の力って何。電子と関係ある?
  • 磁場とか磁界の磁力の力って何。四つの力というのの一つ?
  • 量子って何。量子っていっぱいあるの? 素粒子って何? 量子は素粒子? 量子と素粒子って一緒?

電磁気力とは

電磁相互作用 - Wikipedia

電磁相互作用(でんじそうごさよう)は、電場あるいは磁場から電荷が力を受ける相互作用のことをいい、基本相互作用の一つである。

電磁相互作用で発生する力は電磁気力(でんじきりょく)といい電荷にはプラスとマイナスがあり、同じもの同士で斥力、異なるもの同士で引力が働く。

電場と磁場が出て来たけど、その二つの源は電磁気力、ということでいいんだろうか。

電磁相互作用による力はマクロな系では電気力と磁気力として現れる。 電磁気力の強度は距離の逆二乗に比例し、クーロンの法則(電気力)として定式化されている。

電磁気力は、電気力と磁気力を理論的に同じものであるとして統一したものである。

なんでなのかはわからんが、マクロだと2通りに表れる、でも根源は一緒って感じか。電気と磁力が一緒ってすごいな。全然違うっぽいのにな。

基本相互作用とは

基本相互作用 - Wikipedia

名称 相対的な強さ 影響範囲(m) 力を伝達するゲージ粒子

強い相互作用 1040 10-15 グルーオン

電磁相互作用 1038 無限大 (強さは1/r2に比例) 光子(フォトン)

弱い相互作用 1015 10-18 ウィークボソン(W±,Z0)

重力相互作用 100 無限大 (強さは1/r2に比例) 重力子(グラビトン)

うーん

「空間そのものが力や光の媒質である」

というのと、

「波動であり粒子でもある光は真空中でも伝わってくる」

がうまく結びつかない。

ベクトルとスカラーとは

なんとなくはわかる

相対性理論とは

統一場理論とは

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