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視界と光の科学(屈折)

はじめに(2020/02/11)
視界は人が見る光の世界である。すべての生き物はその命の保全を図るに周辺外界の安全を常に注意しなければならない。その感覚器官の中心に視界認識が有ろう。視界の意味を知るには光の物理現象を知る必要が有る。その上で更に、人や動物は水平二眼によって視界を構成認識しているという意味を考える必要が有ろう。そこには、上下と左右の視界構成の機能的意味の違いが有るように解釈する。それが次回の記事(視界論)になろう。その為の予備知識を整理しておきたい。

光の科学(物理特性) 光とは何か?と考えた時、思い浮かぶ現象・知識の基礎は次のようなもの(高校生の学習項目程度)になろう。しかしその解釈は物理学での教科書の内容とは同じくないかも知れない。あくまでも筆者の電気回路技術感覚を基にした『エネルギー』を基準にした解釈になる。光も空間エネルギーの振る舞いとして捉えたいから。科学実験で観測不可能な『エネルギー』であるところにその科学論としての認識の困難さが有ろうが。

①光は毎秒30万キロメートルもの超高速度で直進する。自然現象を理解することが大切である。光の速度を知ることで、さらに何故その速度なのかあるいは直進とはどの様な空間に対する意味なのかなどに疑問を抱くことが物理学の大切な視点と考える。それは哲学にもなろう。

②屈折現象が有る。空気と水、空気とガラス、空気と角膜などの境界面で、垂直でない角度で入射するとその媒体の特性によって屈折が起きる。それはその伝播空間媒体での光の速度が異なるからである。境界面に垂直で入射する光は屈折はしないが、入射媒体内で波長によっても速度は異なる。それが色収差あるいはプリズムの原因と考える。上のような意味が屈折現象の起きる原因の基と考える。

③望遠鏡、顕微鏡あるいはカメラなどはレンズの表面の曲率によって、主に空気との間の屈折現象を利用する光学機械・器具である。

④反射現象。光は鏡、放物面鏡あるいは水面などで反射する。木炭のような完全吸収体以外の物体はすべて反射体である。物が見えることはその対象が反射体であるからだ。確かに太陽光や焚火あるいはホタルの光は反射光ではない。それは質量のエネルギー変換(化学物質反応)光と見做してよかろう。それらの発光源からの光以外の視界に入る風景の万物はそれぞれの色彩と形を持っている。その景色の基になる光は同じ光でありながら、対象はそれぞれの色彩をもって反射光を放っている。

⑤電波と同じ特性である。パラボラアンテナでの反射現象は光と電波で全く同じである。

⑥光はエネルギーである。その現代物理学理論での表現は ε=hν [J]  である。プランク定数 h[Js] と振動数 ν[1/s =(Hz)]で評価した表現式である。しかし、光の実体は空間分布エネルギーの縦波と考える。光には教科書の解説のような振動などする物理的実体は何もないだろう。光のエネルギー量と振動数の概念を具体的に解説することが市民感覚と物理学理論との乖離をなくする大事な現代的課題と考える。

ここに挙げた6個ほどの認識について、そのような現象は何故起こるのだろうか?それらの現象の中で、今回は屈折について、その何故?について考えてみよう。

屈折とは?
屈折現象について物理学での解釈はホイヘンスの原理で成される。何故媒体が異なる境界面で屈折するのか。光の進行方向が曲がるのか?ホイヘンスの原理は良く分かり易い説明である。しかし、光の波長が違うとプリズムのように屈折角が何故違うのだろうか?ホイヘンスの原理で理解できるだろうか。波長が異なる光の違いをホイヘンスの原理でどのように捉えますか。波長とは何ですか?その辺の極めて日常的な生活感覚からの疑問が自然現象を理解するためにはとても大切な事と思う。物理学理論あるいは教科書での解説は、それは学術的な専門家集団の常識的統一解釈を取りまとめた共通認識論法である。決してそれが自然現象の本質を捉えた論理的な科学論であるとは限らないのだ。国家統一論と同じく、全体的な掌握手法としてとても有効ではあろう。自然現象を論理的に矛盾無く捉えようとすると、厳しい事象を乗り越えなければならない現実に突き当たる。屈折現象は光の物理学理論になるが、光の捉え方で、波動性と粒子性の統一し難い困難がその一つの例でもあろう。光が粒子でないことは分かると思うが?また波動性と言っても、どんな波動かと疑問が沸いて当然と思う。その波動性をすんなり現代物理学理論として理解するような能力を筆者は持っていない。学術論が理解できない劣等感は若い頃から抱いてきた。そんなことから今回も、素人的な感覚だけから、一つのレンズを取り上げて、その屈折現象を具体的な実験装置で考えてみたい。

屈折と媒体

こんな実験装置は時間を掛ければ手作りできそうである。特別予算を組むほどではない。透明プラスチック容器にレンズを取り付け、不透明版を張り付ければできそうだ。側面が透明であれば、半透明膜の写像は観測できよう。レンズを通した光はボックス内の焦点距離に像を結ぶ。半透明膜が焦点(写像距離)に在れば、像が写る。カメラはレンズの両面が空気だ。空気とレンズの境界面で「屈折」が起きる。その距離をXとする。次にボックスの中に水を満たして半透明膜を移動して写像距離を調べる。必ず長さXは長くなるはずだ。その距離Xは何で決まるかと言うと、レンズの表面の曲率半径とレンズとその接触媒体の物性(誘電率)によって決まる筈だ。当然レンズの光の入射面では反射も起きている。屈折で色収差(プリズム現象)も基本的にはある。また、水以外の透明なゼラチンなどではさらに距離Xは変わろう。レンズ表面の曲率と伝播媒体の特性差で距離は決まる筈だ。レンズ内部ではそれぞれの入射角によって方向が異なる直進光路を辿る。出口ではその媒体によって屈折角が違うため、Xが変る。Xが違っても鮮明な写像(媒体内でエネルギーが吸収されない限り)が映し出される。眼球内の硝子体のような媒体であれば透明であろう。媒体間の屈折の物理現象について、誰もが水中でゴーグルを外して水中視界を見ようとすれば、理屈抜きに感覚的に理解できよう。同じ目で空気中では見えても、水中では視界など歪ボケして見えないのだ。それでなくても元々人の角膜の曲率半径は小さく、小さな瞳からの僅かな光で視界を認識する。水中では角膜表面での屈折が弱く、水晶体の終端即ち硝子体管の入口に視界の像が結べないからだ。そんな意味も考える屈折の実験装置になればと提案した。

2016年にレンズに関する関連記事。

レンズと焦点距離 (2016/11/03) 。眼球の光路とカメラ機能 (2016/11/09) 。レンズの機能 (2016/11/27) 。

⑥の光はエネルギーである。その意味を 光とは何か?-光量子像- (2012/01/15) に述べた。

眼球の光ファイバーと色覚

光の物理学的認識が問われている。光を周波数・振動数で認識することでは、その本質に迫れない。光一粒の認識が重要である。そのことは光の屈折現象の物理的解釈に関わる重要な基本点である。その光量子の空間像を 光とは何か?-光量子像ー に基本概念示した。

(2019/10/30)追記。記事の末尾にも追記した。どうしても、眼科の専門家の眼球機能の認識に納得できずに、先日書棚にあった、専門家の本を無意味として捨てた。光の屈折現象の物理的意味が正しく理解されていないと思った。媒体間の境界での特性差が屈折の特性を決めるのである。オットセイ、カバあるいはペンギンが何故水中でも空気中でも見えるか?人はゴーグルを付けなければ水中では見えない。その意味は眼球内のレンズ効果の理解に生かされなければならない。

さて、眼球に関する重要な指摘をしておきたい。医学的には、眼球の機能をカメラと同じように、網膜上に光学的な倒立像を結び、その像が視神経を通して脳に伝達されると解釈されている。眼科のお医者さんの多くの方がそのように解釈していると思われる。それはお医者さんの示す目の絵図にカメラの機能と同じ様子で示されているから。それは間違いと思う。眼球の中心眼軸には『光ファイバー』が貫通しているとみなすべきである。上の図は、参考文献Dispray Atras of Elementary Anatomy の日本語訳本(その原文はフランス語の Librarie Maroine SA Editeur. Paris 1980 であるらしい。 ) を見ての解釈である。(2019/05/19)追記。この文献には硝子体管の終端は網膜の視神経に繋がっている。しかし黄斑が視力の重要な部位を占めているようであることから、その点点模様が硝子体管の光ファイバーの終端模様と考えた。その文献には眼球の硝子体液の中心には硝子体管が示されている。その硝子体管を私は光ファイバーと解釈したのである。私はその光ファイバーが眼球の中心軸を貫通していると観る。カメラのようにレンズが空気中に在る様な構造で捉えて、水晶体のレンズで屈折した光が眼底の網膜上に反転像を結ぶと考えるのは間違いと解釈する。角膜に入射後の光は瞳孔、水晶体レンズを通過した後、平行光線として硝子体管と言う光ファイバー内を進行する。光の像は丁度『金太郎飴』の切断面のように、平行光線として黄斑の窪み部まで縦波のエネルギー波として到達する。従って眼底に結ばれる結像は黄斑に正立像として到達すると解釈する(ただし、光ファイバーが捩れているなら正立像とは違うかも知れない)。何故このように考えるかと言えば、カメラ構造解釈では、網膜全体に光感知機能・神経が張り巡らされていなければならず、更にその光の色覚まで網膜全体の細胞に識別する機能を負わせなければならない事になる。ここで『眼の色覚』の生物物理的解釈が問われる事になる。眼球の構造の昔の解釈では、『光ファイバー』などと言う光学的認識は無かった訳で、カメラと同様な機能解釈が当然のこととして受け入れられたものであろう。今でも、光量子の一粒の解釈が物理学では正確に認識されていない。光をあくまでも『波動論』として認識している訳であるから、「振動数」と言う横波概念でしか解釈できないのである。光を含め全ての波は「縦波」である。そのことを認識しなければ、『プリズムの屈折現象』の説明は出来ない筈である。「プリズムと光量子の分散(発表欠席)」ー日本物理学会第64回年次大会講演概要集 第1号第2分冊、p.405.  (2009)ーに基礎論を展開。日常生活で誰もが体験する物理現象さえ物理学理論は説明できないのが現実である。風呂の中の光の屈折現象も、水面の境界面で光の進行方向が屈折する。何故かと問えば、せいぜいホイヘンスの波面解説くらいのもので説明するだけである。一見、確かに光の屈折現象の説明が出来ているように思える。高等学校の物理の教科書などでも、プリズムや虹の七(?)色が光の波長によって屈折率の違いの為に分散すると説明されるが、『なぜ波長の違いで分散するか』の問いには何も答えられないのである。それは、屈折現象をはじめとする光の物理的基礎理論が完成していないからである。眼球の内部構造で、中心に『硝子体管』が貫通している事を冒頭図面に示した下部の文献で知り、直感的に眼球の光ファイバーの存在と眼球機能の本質を悟った。それは、光量子一粒がエネルギーの空間密度分布波との認識とが結びついたからである。単に波長や振動数では、媒質の境界面での瞬時的屈折原理を理解することは出来ない筈である。光の数波長あるいは何振動数分かを媒体の境界面で、じっと待ちながら、この光の波長は幾らだから、この方向に屈折させれば良いという判断司令官が境界面に居るとでも考えるのだろうか?そんな如何にも人間臭い解釈での物理現象の存在は天然・自然の神が許さない。境界面に光の一粒の先頭波面が到達すると同時に、瞬時に自動的に進行方向が決まると解釈するのが自然の本質を認識すれば、当然であろう。振動数を認識する時間的余裕を自然現象は与えてくれない。それが光の世界である。眼球の色覚機能。それは黄斑の窪みに到達した縦波の光をそのエネルギー分布密度で直ちに分離識別する機能として理解しなければならない。微細のファイバーの一本、一本で運ばれた光をプリズム効果で弁別するものと解釈した。その到達する深さの違いとして色の状態を判断するのであろう。医学に全くの素人である私の解釈は光量子概念からの必然的結論である。2011年の大学共通入試問題に眼球の問題が出た。眼球の網膜像入試問題を見ては私がここで誤っていると指摘した「カメラと網膜解釈」の問題その物である。私は医学に関して全くの素人である。しかし、物理学の真髄が教科書には無い事を知った。それが20数年前の事である。ただ1点、『電荷概念の虚像』(『電荷』という虚像)が全ての物理現象解釈に影響を与える事態に至ったと、今その怖れをも感じている(2012/01/30/ 追記、修正)。

網膜と色覚 もし視覚の像を網膜で捉えるとすれば、網膜の各部分ごとに入射光線の波長を識別しなければならない事になる。それは光の寸法、一粒の光子の波長を全ての波長にわたって識別する細胞の検知能力が要求される。網膜全面にわたりその識別を要求できる程、細密な細胞形態を望めるだろうか。波長は何を持って識別すると考えるのだろうか。その識別能力は黄斑部の細胞の奥深さでの光分散機能(プリズム効果)に期待する以外になかろう。(2013/03/18)追記。

追記(2013/4/3)。今日、眼球の光ファイバーに関する記事を見た。YAHOO!知恵袋の質問の回答にあった。Wikipedia.org/  のファイル:Schematic diagram of the human eye en.svg の記事。私の記事の眼球構造の図が間違っているとの指摘もあるようだ。しかし、安心した。どうも専門家の指摘のように思う。この『眼球の光ファイバーと色覚』の図で、ファイバーが網膜の黄斑に繋がっているのが間違いだとある。(2013/04/09)-その御指摘は御尤もである。今日改めて、参考資料(カラーでみせるやさしい解剖)を確認した。確かに、視神経に硝子体管が繋がっている。だから御指摘は当然と思う。しかし、御指摘の中心窩付近の傷害、変成が視力に影響するらしい事から、やはりそこの黄斑部がファイバーの接続箇所と解釈したい。どうもその説明の図には黄斑の名称がなく、中心窩(チュウシンカ)が黄斑の事かと思う。カメラと等価な眼球の光解釈は確実に間違いであると思う。黄斑と中心窩に硝子体管が繋がると解釈したいー修正・追記。(2018/03/14 追記)この眼球の光学的網膜写像の解釈には違和感を抱かざるを得ない。その意味を眼球の光路とカメラ機能-?-に眼球型カメラと言う図での矛盾を描いた。眼球の網膜はカメラのフイルム面のように平板ではない。網膜面に写像が得られるとすれば、どのようなレンズの屈折で可能かは納得する理解が出来ない。何故球面にレンズの写像が出来ると考えるのだろうか。レンズの焦点・焦点距離とは?などで最近考えた事との関連で眼球の『硝子体管』と『黄斑』の関係に強く再確認の思いを得た(2018/03/14追記)。

(2019/10/30)追記。黄斑円孔内の空間で、どの様な波長弁別機能が存在するかは全く分からない。光の屈折原理は光伝播媒体の異なる特性差によって、光エネルギー密度の差が速度差を生むからである。眼球のレンズの前後の境界で物質的空間特性がどれほど異なるかと考えればほとんどその差はないと考える。角膜の球面構造と空気のような、空気とレンズの境界の特性差のようなものが無ければ、眼球内部でのレンズの屈折は原理的に起きない。眼球内部でレンズの屈折光がが望めない媒体ならば、網膜面に光が視界の像を結ぶ訳が存在しない。「コメント」を頂いた中に、黄斑についてビタミンA云々というお教えがある。下のような学会での私の解釈は、光の基本的屈折原理だけからの「自然の本質は単純・純粋にある」と言う観点からのものであり、特別科学的に信頼できる確信などない。黄斑内部で光の波長と細胞との間で生命の不思議な仕組みがきっとあるだろうと今は思う。科学理論は広い分野を包含した哲学的で、必ずしも科学的実験での証明ができなくても、総合的な自然感覚(例えば、人の水中での視界は全く見えないが、ゴーグルを付ければ空気と角膜の媒体間の屈折により正常によく見える等。)が新しい研究の不思議解明の道しるべとなると考える。以上追記させていただいた。確かに今確認すると、私の図は不適切である。光の波長識別の説明は示されていない。光の浸透深さで波長を識別する意味が図には無い。眼球の光ファイバーと光量子 日本物理学会 第56回年次大会で発表した資料を示す。目の色覚機能この図が示す色覚機能は光ファイバーの一本を通して縦波のエネルギー密度波が黄斑部に入射して、その波長に応じて、屈折による分散方向が異なると解釈したものである。その位置を黄斑内部で検出して、その情報を視神経から脳に伝達すると解釈した図である。先に書いた文の削除は、少し参考資料に惑わされて書いた部分である。あくまでも『黄斑』の黄色い点の一点ずつが光ファイバーの接続点を示すとの解釈である。視神経管の構造を検索で調べたら、中心は血管の動脈と静脈が通って居りその周りを視神経が通るとある。黄斑部の波長識別信号が視神経に網膜内を通って繋がっていると解釈したい。しかし、「カラーでみせるやさしい解剖の図と違う解釈になるので、黄斑からの経路がどのように繋がっているかは全く分からない。

(2013/5/17追記) 先日検索した文献(*)に、硝子体の構造が示されていた。そこには、繊維細胞の複雑に絡み合った様子の顕微鏡写真が載っている。その細胞の一本一本が光ファイバーと観れるかどうかははっきり言えない。しかし、硝子体(管)と硝子体液から眼球が構成されている事から、その文献によれば、益々硝子体(管)が管状の『光ファイバー』であると確信できる。(*)江内田 寛, 坂本 泰二:硝子体の構造. 眼科手術.17:355-357.2004 (現在この論文が何故か以前のように簡単に見られなくなった。2014/02/19 現在)