科学の散歩道
現代物理学入門

素粒子物理学編
光の粒子性と波動性

19世紀以前の古典物理学、特にマックスウェルの電磁気学において、電磁波という波動だと考えられていた光は、20世紀に入ると、粒子とよく似た性質のあることが知られるようになった。 光電効果やコンプトン散乱といった物理現象は、光の波動性からは説明することができなかったが、光の粒子性を仮定することで、あっさりと明快な説明を与えることに成功した。

アインシュタインは、このような光の本質をエネルギー量子の概念から解き明かすことで、光の量子(光量子または光子とも呼ばれている)は、波動によく似た性質とともに、粒子にもよく似た性質を併せ持っているのだと考えた。 もちろん、エネルギー量子をエネルギーのかたまりのように想像するのは簡単だが、波動でもなければ粒子でもない点には注意を払う必要がある。

粒子とは、例えば点粒子を考えれば明らかなように、必ず空間のどこかに存在するようなものである。 それに対し、波動は、やや広がりをもって空間内を移動している。 波動が空間内の一点に留まっていることはあり得ないし、単独の粒子が四方八方に拡散していくことはない。

こうしてみると、光が波動であるのか、それとも粒子であるのかという類の議論は無用となる。 光の本性は量子なのであって、波動でもなければ粒子でもない。 ただ、波動のような性質が現れることもあるし、あるいは、粒子のような性質が現れることもある。 量子というまったく新しい概念によって、人間は光の本質に迫ったことになる。


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