You look down and see a yellow pencil lying on your desk. Your eyes, and then your brain, are collecting all sorts of information about the pencil: its size, color, shape, distance, and more. But, how exactly does this happen? The ancient Greeks were the first to think more or less scientifically about what light is and how vision works. Some Greek philosophers, including Plato and Pythagoras, thought that light originated in our eyes and that vision happened when little, invisible probes were sent to gather information about far-away objects. It took over a thousand years before the Arab scientist, Alhazen, figured out that the old, Greek theory of light couldn't be right. In Alhazen's picture, your eyes don't send out invisible, intelligence-gathering probes, they simply collect the light that falls into them. Alhazen's theory accounts for a fact that the Greek's couldn't easily explain: why it gets dark sometimes. The idea is that very few objects actually emit their own light. The special, light-emitting objects, like the sun or a lightbulb, are known as sources of light. Most of the things we see, like that pencil on your desk, are simply reflecting light from a source rather than producing their own. So, when you look at your pencil, the light that hits your eye actually originated at the sun and has traveled millions of miles across empty space before bouncing off the pencil and into your eye, which is pretty cool when you think about it. But, what exactly is the stuff that is emitted from the sun and how do we see it? Is it a particle, like atoms, or is it a wave, like ripples on the surface of a pond? Scientists in the modern era would spend a couple of hundred years figuring out the answer to this question. Isaac Newton was one of the earliest. Newton believed that light is made up of tiny, atom-like particles, which he called corpuscles. Using this assumption, he was able to explain some properties of light. For example, refraction, which is how a beam of light appears to bend as it passes from air into water. But, in science, even geniuses sometimes get things wrong. In the 19th century, long after Newton died, scientists did a series of experiments that clearly showed that light can't be made up of tiny, atom-like particles. For one thing, two beams of light that cross paths don't interact with each other at all. If light were made of tiny, solid balls, then you would expect that some of the particles from Beam A would crash into some of the particles from Beam B. If that happened, the two particles involved in the collision would bounce off in random directions. But, that doesn't happen. The beams of light pass right through each other as you can check for yourself with two laser pointers and some chalk dust. For another thing, light makes interference patterns. Interference patterns are the complicated undulations that happen when two wave patterns occupy the same space. They can be seen when two objects disturb the surface of a still pond, and also when two point-like sources of light are placed near each other. Only waves make interference patterns, particles don't. And, as a bonus, understanding that light acts like a wave leads naturally to an explanation of what color is and why that pencil looks yellow. So, it's settled then, light is a wave, right? Not so fast! In the 20th century, scientists did experiments that appear to show light acting like a particle. For instance, when you shine light on a metal, the light transfers its energy to the atoms in the metal in discrete packets called quanta. But, we can't just forget about properties like interference, either. So these quanta of light aren't at all like the tiny, hard spheres Newton imagined. This result, that light sometimes behaves like a particle and sometimes behaves like a wave, led to a revolutionary new physics theory called quantum mechanics. So, after all that, let's go back to the question, "What is light?" Well, light isn't really like anything we're used to dealing with in our everyday lives. Sometimes it behaves like a particle and other times it behaves like a wave, but it isn't exactly like either.
机の上の黄色い鉛筆を見ると 眼から脳にいろいろな情報が集まります 鉛筆の長さ 色や形 鉛筆の長さ 色や形 鉛筆の長さ 色や形 鉛筆の長さ 色や形 鉛筆までの距離などの情報です 鉛筆までの距離などの情報です この仕組みは どうなっているのでしょう? これを初めて科学的に考えたのが 古代ギリシャ人です これを初めて科学的に考えたのが 古代ギリシャ人です 光や視覚について科学的な理解を 試みたのです プラトンやピタゴラス等の ギリシャの哲学者は プラトンやピタゴラス等の ギリシャの哲学者は 光は眼から発せられ 眼から出た小さなものが 遠くのものに届き 情報を集めてくることによって ものが見えると考えました その後 千年もしてから アラビアの科学者 アルハゼンが 古代のギリシャの論理は 理にかなわないと証明しました アルハゼンの説明では 眼は情報を集めるために 何か ものを発するのではなく 単に届く光を集めているに過ぎないというのです アルハザンの説明では ギリシャ人の上手く説明できなかった 暗闇の説明がつくのです 実は 光を発する物体は そうあるものではありません 光を発するものは 限られていて 例えば 太陽とか 電球とかが 例えば 太陽とか 電球とかが 光源として知られています 他の見えるものは殆ど あの机の上の鉛筆のように 光源からの光を反射しているだけで 自ら光を放っているわけではありません 鉛筆を見るとき 眼に入る光は 太陽から来たもので 何百万キロも 空っぽの宇宙を旅して 鉛筆に反射され 見る人の眼に届くのです 想像しただけですごいですね ところで 太陽から出てくるのは いったい何なのでしょう? それがなぜ見えるのでしょう? 原子の様な粒子なのか それとも 池の水面にできる小波のような 波なのでしょうか? 近代の科学者は この質問の答えを 数百年に渡って 探求してきました 初期にはニュートンが 光はごく小さい 原子の様な 粒子からできていると信じ これをcorpuscles と名づけました この考えをもとに 光の持つ特性を説明しました 例えば屈折 空気から水に光が進むとき 曲がって見えるあれです しかし 天才でも時に間違えるのが 科学というものです 19世紀になり ニュートンのずっと後になって 科学者たちが 様々な実験を重ねた結果 光が原子の様な 粒子であることは 不可能だと分かったのです まず 光が2方向から来て交わっても お互い何の作用もおこしません もし 光が粒だとしたら A という光線と B という光線の粒の一部が ぶつかり合い ぶつかった粒子は いろいろな方向に 飛んでいくはずです ぶつかった粒子は いろいろな方向に 飛んでいくはずです でも そうはなりません 光線はお互いの光線を素通りします これはレーザポインターと チョークの粉で簡単に実験できます これはレーザポインターと チョークの粉で簡単に実験できます また 光の干渉縞も波である証拠です 干渉縞とは2つの波が一箇所にあるときに起こる 特殊なパターンです 2つの物体が 池に投げ込まれ 静かな水面が乱れたときに 見られます これと同じ事が 近くにごく小さな2つの 光源を置くことによって起こるのです これと同じ事が 近くにごく小さな2つの 光源を置くことによって起こるのです 干渉のパターンは波である証拠です 粒子では起こらないことです おまけに 光が波のように振る舞う事から 色の仕組みや なぜ鉛筆が黄色に見えるのかも 説明できるようになりました では 光は波であると断言して良いかというと そう簡単なものではないのです 20世紀になって 科学者は さらに実験を重ね 光が粒子のように振舞うということも 分かったのです 例えば 光を金属にあてると 光のエネルギーが 金属の原子に渡されますが 量子と呼ばれる とびとびの値の塊で渡されます でも 干渉のような特性を無視するわけにはいきません ですから この量子はニュートンの考えた 小さな硬い丸い粒とは 全く違うのです 光が粒子のようにも波のようにも振る舞うという特性から 光が粒子のようにも波のようにも振る舞うという特性から 全く新しい物理学である 量子力学が生まれました ではもう一度 考えて見ましょう 「光って何でしょう?」 光とは私たちの日常考える 普通のものとは全く違うのです 時には粒子のように振る舞い 時には波のように振る舞うのですが はっきり どちらとも言えないものです