12-5 光の性質 不思議な現象「光は、どうやって最短時間で目的地に到着する経路を選択しているのか」(フェルマーの原理)もエネルギー体の光模型で納得! |
これまでの記事で、エネルギー体の光模型が正しいことを示す現象を説明してきましたが、更にもう一つ「フェルマーの原理」があります。これについては、記事の最後の方で説明したいと思います。
光が水の中に入ると屈折することは、誰でも知っていることです。また、一部は反射します。
入射光、反射光そして屈折光の関係は、フレネルの式で表されます。
光は、屈折率が異なる物質間の界面に入射すると、一部は反射し、一部は透過(屈折)する。このふるまいを記述するのがフレネルの式である。電場の振幅反射率・振幅透過率を表す式をフレネルの式と呼ぶことが多いが、エネルギー反射率・透過率を表す式をフレネルの式と呼ぶこともある。また、電場の振幅反射率・振幅透過率をフレネル係数と呼ぶこともある。いずれの場合も、p波(TM波、E波、垂直偏波、平行偏波)とs波 (TE波、H波、水平偏波、直交偏波)とに分けて記述される。
これから、反射角は入射角αに等しいという反射の法則、屈折角βに関してはという スネルの法則が導かれる。ただし、n1 、n2 はそれぞれ入射側、透過側の屈折率である。(Wikipedia フレネルの式)
P波とは、偏光の一種。光学における、入射面に対して電界成分が平行な偏光成分(英: Parallel polarized wave)。(Wikipedia P波)
S波とは、偏光の一種。光学における、入射面に対して電界成分が垂直な偏光成分(独: senkrecht polarisiertes Welle)のこと。(Wikipedia S波)
ホイヘンス=フレネルの原理(英: Huygens–Fresnel principle)、または単にホイヘンスの原理(英: Huygens' principle)は波動の伝播問題(遠方場の極限や近傍場の回折や)を解析する手法である。ホイヘンス=フレネルの原理によると、前進波の波面の各点が二次波とよばれる新しい波の波源となり、全体としての前進波は(既に伝播した媒質から生じる)全ての二次波を重ね合わせたものとなる。
それでは、エネルギー体の光模型で説明します。
光は球面波なので、光の板の姿勢は次図の様に色々な姿勢を取りますが、この内、図の赤色の光の板が入射光となります。
光の板が異なる物質間の界面に入射する様子と屈折の説明は、上のWikipedia ホイヘンス=フレネルの原理の通りです。
屈折する理由は、異なる物質間では光の速度が違うからと説明されます。
「物質間で光の速度が違う! ・・・・ ?」
「光速度不変の原理は何処へ行ったの?」
エネルギー体の光模型でも、確かに光の速度は変わるのです。
異なる物質間、分かりやすく、光が空中から水の中に入ったとしましょう。
光の板は、面方向へ進みます。
次図に、進行方向が逆となっている2つの光の板が描かれています。
水面から離れて行く板が、水中に入り屈折します。
そして、真空中では、慣性力が働き300,000kmに1秒のしなりが生じます。
水中では、真空中の慣性力に加えて水の慣性力が加わるため、300,000kmに1秒+αの遅れが生じます。
慣性力は、空間に生じるエネルギーの上昇です。
つまり、光の板のしなりが大きくなり進行速度が遅くなるのです。
これが、屈折率の原因となります。
光の板は、電子の姿勢の面方向への変化が空間(エネルギー体)に転写したものです。
押し出される時、光の板にスペクトルとなる厚みを与えます。【参照 6追加4 ドップラー効果】
この光の厚みにより、上で説明した(Wikipedia ホイヘンス=フレネルの原理)の図の示す通りとなり、屈折するのです。
光の板には、その進行方向が逆のものもあります。
水面に向かっていく光の板は、水面で反射し、水中に入りません。
ただし、反射しない物質の場合は、光の板がそのまま入ることも考えられます。
それでは、いよいよ「フェルマーの原理」です。
フェルマーの原理とは、光は最短時間で到着する経路を選択すると言うものです。
次のIllustratorさんの説明を見て下さい。
光の屈折の本質論
光の屈折についての、より本質的な説を紹介します。フランスの物理学者、フェルマーが唱えた説で「フェルマーの原理」と呼ばれています。
A地点から、途中の川を渡ってB地点まで、行くことを考えます。その場合の「最短距離」は①の直線です。 しかし、川での抵抗、時間的ロスを考えると、②の経路を取った方がB地点に早く着くのではないか、と考えられます。つまり 媒質の 抵抗が多い程、その経路を短く取るコースを取った方が合理的です。「光は、最短距離ではなく最短時間で到着する経路を取る」 これがフェルマーの原理です。
※量子としての、光の性質
フェルマーの原理「 光は、最短距離ではなく最短時間で到着する経路を取る」 、これも考えてみるととても不思議な現象です。 一体光は、 「最短時間で到着する経路」を、予めどうして知ってその経路を正しく通るのでしょうか。 実は光に限らず、いわゆる量子の世界、つまり超ミクロの世界では日常の常識では理解不可能な、不思議な現象のてんこ盛りです。この「フェルマーの原理」にしても「そうなんだからしょうがない」として理解するしかなさそうです。
本当に不思議ですね。
自然は、人間の知能が及ばないほど合理的に出来ています。
でも、エネルギー体の光模型を知れば、そうだったのかと納得されるでしょう。
その前に、「とね日記」さんのブログから、石鹸水の表面張力の不思議を見てみましょう。
円形の透明なプラスチック板を2枚用意し、間に5ミリほどの空間ができるようにして固定する。プラスチック板の外周に小さな柱を取り付けて固定すればよい。そのプラスチック円板が十分入るくらいの大きさの洗面器に石鹸水を入れておく。シャボン玉ができるくらいの濃さがよい。円板の周囲に2本柱を取り付けたものを、石鹸水に沈めて静かに引き上げると柱と柱の間に石鹸水の膜ができる。円板を上から見ると、膜はこの(左)図の赤線で示される。石鹸膜は表面張力によって面積が最小になろうとするから、上から見た図で膜をあらわす赤い線は2つの柱を結ぶ直線になる。
柱4本のときは、ちょっと不思議な膜ができるのだ。(右図)これが4つの柱を結ぶ膜の長さの合計が最小になる場合の答だ。
(とね日記)
一つの体に最小になろうとする力が働いていると、数学者も負けそうな事が簡単に出来るんですね。
光もそうです。
光が最短時間で到着する経路を選択する事が出来るのは、光が受け取る慣性力のためです。
光は図の中で、AからBに向かっています。
そうすると、光が最短時間で行くことが出来る経路を前もってリサーチしながら進んでいることになります。
光は、センサーや人工知能を持っているのかなと、不思議さが増すのです。
しかし、実はそうではないのです。
光は、ABの直線から直角方向に進んでいるのです。
光の板の面方向に進むので、その体の一部が異質な物体、例えば水の中に入ると、より大きな慣性力を受けることになります。
そのため、光の板の一部がしなります。
体のしなりは小さい方が良いに決まっていますよね。
つまり、体のしなりを最小にしようとするのです。
そうすることで、光の板が受け取る慣性力のトータルは最小になります。
光の板のしなりの回復時間が光の速度ですので、しなりが最小になると言う事は、光の経路が最短時間になると言う事なのです。
- この“エネルギー体理論”には、研究者のより詳細な検証と認知が必要です。 -