素粒子論理論物理学者、異世界に立つ

第3話 異世界のくせに何で目がちゃんと機能してるのだ？

　皆は電磁波というものを知っているだろうか。
　どこから説明するべきか悩む現象の１つだ。身近ではあるものの理論的には結構複雑だったりする。
　光だ、と言えば何なのかはすぐ分かるだろう。太陽から降り注いでいるのも光だし電球から出ているのも光だ。
　じゃあ何故、光と言わず電磁波なんて名前までついているのか。それを知るためには歴史を辿る必要がある。

　まず光が波の一種である、というところから述べようと思う。
　波というのは、皆もよく知ってるあれだ。海でざばーんとなってるあれが波だ。そう言われると、あれか、とはなるものの、逆に波とは何か、と問われると答えるのが難しいと思う。
　波の定義はちょっと難しい。私なりに解説するならば、こうだろう。ある媒質がありそれがある軸方向に運動し続ける。その運動が隣接している媒質に伝搬していく現象を波と呼ぶ。
　ある媒質だとかある軸方向だとかでは意味が分からないと思う。ここでいうある媒質というのは、海の波なら海水のことだ。海の波というのは海水が上下運動している。ある軸方向というのはこの場合上下だという意味だ。もっと正確に言えば鉛直方向……つまり重力に対して並行な方向だ。
　隣接だのどうのこうのは、こういう意味だ。海水が何かしらの理由で持ち上がると、隣の海水もそれに引っ張られて持ち上げられる。ただこのとき、最初に持ち上がった海水に対して引っ張られる海水は遅れて持ち上げられる。続いて持ち上げられた側の海水のさらに隣も持ち上がる。これもまた遅れて持ち上がる。これが繰り返されるのが波という現象だ。

　どうだろう、イメージは掴めただろうか。細かい説明をしたが結局のところ海の波のイメージで十分だ。どちらかといえば重要なのは波が持つ性質と、ある現象が波であるための条件にあるだろう。
　まず波の性質から語ろう。波と呼ばれる現象には必ず、回折、屈折、反射、干渉の４つの性質がある。逆に言うとこの４つを満たしていて何か媒質が存在していればそれは波だということになる。
　これらの性質を１つ１つ説明するにはどうしても図が必要だがそれはちょっと難しいので意味だけ述べるに留めよう。

　回折は回り込む現象だ。波は壁にぶつかると壁が小さい場合は壁の反対側に回り込もうとする。
　屈折は曲がる現象だ。波はある媒質から別の状態の媒質に入るときに曲がる。一例として温度の違う海水を上げておこう。温度の低い海水で発生した波は温度の高い海水に入ると波が曲がるのだ。
　反射は言葉のとおり、跳ね返る現象だ。波は壁にぶつかると反対方向に向かう波となる。
　干渉は波同士がぶつかったときに波の高さが変化する現象だ。波は高いところと低いところがあるが、高いところ同士がぶつかればより高くなるし、高いところと低いところがぶつかれば中間の高さになる。

　以上が波の性質で、海の波は全て満たしているし媒質として海水がある。
　実は音もそうだ。音波も同様の性質を満たしている。媒質は空気だ。
　この２つには縦波か横波かという大きな違いがある。海の波は横波で、波の進行方向に対して媒質の運動は垂直方向になっている。音波は縦波で波の進行方向に対して媒質の運動は並行な方向だ。
　縦波と横波で違ってくる性質もあるし、例えば上記の述べた性質についても細かい話は色々ある。反射については自由端反射と固定端反射で反射する波の形状が違うだとか、反射波との干渉で定常波が生じるとか色々あるが、今はどうでもいい。

　今、私が述べたいのは光が波だという話だ。
　つまり、光は上記の波の性質を持っているのだ。
　反射は分かりやすいだろう。実生活でも光の反射は見たことあるだろうし、そもそも月が輝くのは太陽の光を反射しているからだ。
　ただ回折、屈折、干渉は実感するのが難しいだろう。知識として光の三原色というものを知っていればそれが干渉の結果だ、と説明することができる。赤、青、緑が三原色としてあり、赤と青を重ねると紫、青と緑で水、赤と緑で黄、全部重ねて白になる、といった話だ。これが何故干渉かといえば、赤色だとか青色だとかは波長で決まるわけだが……。

　そう、波長だ。
　皆は波長を知っているだろうか。
　と、大仰に言うようなことではないかもしれない。波の高いところから低いところまでを1波長と呼ぶ、というだけの話だ。

　つまり赤色と呼ばれる波長の光が青色と呼ばれる波長の光とぶつかると干渉が起こって紫色の波長の光になるということだ。これで干渉は、実感は難しくとも理解はしてもらえるだろう。
　屈折についても１つ説明を思いついた。といってもやったことのある人は少ないだろうが。
　海や水の中に潜った状態で海面を見上げたことはあるだろうか。その状態だと海面より上の視界がいつもどおり見えるわけではなく非常に狭い範囲だけになってしまう。これは光が空気から海に入るときに起こる屈折が原因だ。視界の端から目に入るはずの光は屈折現象によって曲がり、視界から外へと出ていってしまう。そうして海面より上の景色が狭く見えるのだ。

　最後の回折だけは難しい。重力レンズ効果というものがあるがこれは日常的な手段で経験することは不可能だ。

　少々片手落ちだが、光が波の性質を持ち合わせていることは説明したとおりだ。
　しかし波と呼ぶにはもう１つ要素が必要だと語ったことを覚えているだろうか。そう、媒質だ。光の媒質はなんであろうか。その正体が電磁場だ。