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光とは何か?ー光量子像ー

(2019/05/06)追記。光量子波頭値Hの光作用性の意味についてプランク定数の概念に記した。

現代物理学理論は人類の知的財産である学問の積み重ねとしての叡智の宝庫であるように見られている。そこには、自然世界の認識の仕方でどのように分析・判断するかに二通りの観点がある様に思う。同じ自然世界を見るのに、インドを源流とする東洋哲学と近代科学文明を推進して来たヨーロッパの西洋哲学の二通りに分けられると考える。そこには人類発祥の源流にさえも遡る異質性が潜んでいるかも知れないと感じる。東洋哲学は無駄を排除して、純粋な一つを求め続ける思考の求道の精神が基本にあると感じる。それに対して、現代物理学の根底を成す基本を分析すると、西洋的思考の特徴が西洋哲学と同一の歩調を成して拡大構築する基本的特徴で捉えられると感じる。物理学的概念はその認識に於いて、共通の解釈基盤に『数学と数式』がある。宇宙空間にまで人類が行き来できる科学技術の成果を獲得してきた原動力はすべて、西洋の自然科学論がその基を成している。それほど、西洋哲学的思考が自然世界の征服に主導的役割を果たしてきた現実に対して驚きを持たずには理解できない。私がそのように思う事の原因は、現代物理学がその数学的解釈法に基づいて構築されて来たその『基礎概念』に自然の真理を読み取ることが出来ない程の違和感を抱かざるを得ない事態を来たしている事である。その代表的概念を二つ挙げれば、『電荷概念』と『光子振動数』となろう。電荷の否定については今まで多く論じてきた。もう一つの「振動数」という概念を否定する、あるいはその曖昧さを明らかにするために、「光量子像」についての空間的実在性を込めて、論じて見たい。物理学理論は数学的解釈法が主流であるが、それでは不十分であるだけでなく、認識の曖昧性を放置する事態を来たしている。現代は、空間にその基礎概念を明確に描ききって見せる事が『科学者』に求められていると言いたい。その意味で「光量子像」を論じることが、極めて重要な現代的課題の解決の糸口になると考える。光量子像を空間的な視覚概念で捉えるべく、提案して来た。その光量子像を提案するに当りどんな事を考えたかを纏めた。それが上の「光量子とは?」である。光とは何か?-序章ー(2011/09/30) から相当時間が経過した。その具体的な光量子についての解釈を述べたい。先ず初めに光量子一粒の空間描像を示す。その表式、空間的エネルギー密度分布式 δq(ζ)である。

上の(1)式が光量子の空間密度分布を表現したものである。なお、ここに記す内容はすでに2008年12月『詩心 乗せて観世の 帆掛船』物理学解剖論Ⅱ 空間エネルギー で述べたり、日本物理学会の講演概要集に発表した。しかし重要な意味を含んでいるので、一般の市民的理解の広がりの為に書き足したいと思う。普通の科学論は数学的な手法で、高度な数式がその表現の基本であろう。しかし私は空間にその実像を認識できないと良く分からないのである。想像するにも頭の中に描けなければ、理解できない不都合な能力である。上のその意味で、何とか描く空間像をまとめ、それを「具象図」として示した。その光一粒の空間像なら、誰でも理解し易かろうと思う。少し科学に近い論を展開しようとすると、どうしても数式で論じる事も必要になる。そこで「抽象図」として表現したのが、変数ジータζで時間tと位置xを光の1波の波長λ、その周期タウτにより正規化した変数表現で表した。抽象図とは大げさの様であろうが、余りにも高度な数学で表現される「科学論」は誰の為の解説かと不満を持っているので、その抽象化の意味を考える為にも成るかと思ったからである。抽象の代表格である虚数なども何の役に立つのかと。大工の棟梁が建造物を設計するに、その空間構造を頭に描くような事と同じ科学論であってほしい。このエネルギー密度分布式は、その初めは「雷の衝撃波」が自然のエネルギー流の形状を備えているとの認識から取り組み、導き出したものである。その為に、雷と指数関数 を予め書き記した。

光量子の体積積分 光量子の空間エネルギー密度の(1)式を空間の積分により、その光量子一粒のエネルギー量を算定できる。変数 ζは空間の位置と時間に因るが、時間を停止した状態で捉えれば、空間だけに注目して積分すれば良い。また、ある位置に停止して光速度で通過する光量子のエネルギー通過量を時間積分しても同じ事である。その変数の定義域とエネルギー密度波頭値を整理した表式(1’)を示す。

 

その(1’)式の指数関数の積分で、光量子1粒のエネルギー量が算定できる。結局、光量子のエネルギーは振動数νとプランク定数 h との積のhν ジュールと同じ結果には成る。しかし、振動数という概念は光量子が何か横ぶれしながら運動エネルギーを持って光速度で流れるような印象を受ける。光子あるいは光量子1粒という空間の実在認識には、振動数という概念は捨てるべきものである。ν= c/λ=1/τ [s^-1^] のような波長λあるいは周期τで表記することが望ましいと考える。

光量子空間像の解説 一応数式による光量子像を表した。しかしその意味を捉えるには具体的に考える必要があろう。そこで、ナトリウムの炎色反応でオレンジ色の波長で考えて見よう。

 

プランク定数の物理的意味と波頭値H 結果的には当たり前の結論になった。光量子のエネルギーとその周期の積という意味で解釈できる。

プランク定数hは上のように結局光量子1粒のエネルギーεとその光速度で通過する時間の周期τとの積という事に成る。それは普通の物理的「定数」という概念に該当するのだろうか。元もと、光量子のエネルギーは ε=h/τ という式であるから、当然の結果ではある。どんな周期の光量子に対してもそのエネルギーは周期の逆数に比例し、その係数がプランクの定数だと言う意味で取れば、確かに定数と言えよう。h=ετ と書き換えて見た時、プランク定数 h という「定数」の意味なのだろうか、これが「定数」という意味だと理解すべきなのだろうか。(2016/08/02)このようにプランク定数の意味を解釈すれば、光エネルギーのエネルギー密度波頭値Hに、その衝撃波形のエネルギー空間分布の鋭さが隠されているから、その意味で光量子の作用力が決まると考えれば良い。

光とは何か?-序章ー

世界は光で出来ている 世界を、その全体像を認識するに『光』の意義を捉えずには不可能である。極論を言えば、世界は光で出来ている。熱とは何か?と言う問いに対して、結局の結論は光に結びつく。質量は何か?と言う問いに対しても、光に導かれる。(2013/09/22)追記。世界は光で出来ているは、エネルギーと空間と質量に繋がる意味である。十九世紀末から二十世紀初頭に掛けて、キュリー夫妻により『放射性元素』の存在が明らかにされ、1900年にMax Planck がプランク定数h[Js]の概念を発表した。1905年にはアインシュタインが『光子(photon)』の概念を発表した。この時代が物理学の新しい展開の基礎となったと考えられる。それから100年が過ぎ、科学技術が生活に革命的に浸透した。しかし、物理学基礎理論がその科学技術の生活と科学意識に役立ち、重要かどうかを検証しなければならない瀬戸際に立たされていると感じる。放射性元素から放射される粒子や光、地球の生命を育む太陽光線。宇宙の果てから届く星座の放射光。人だけに留まることなく、あらゆる万物がその世界の光と共に生きている。物理学と言う学問の専門分野に入れば、科学の発見に基づく知見で光の世界を解釈する。市民の光との関わりとは異なる関係で学問体系が構築される。しかし、光の世界を認識するのに、学問的解釈が日常の市民生活とかけ離れた世界観で在ってはいけない。日常生活が科学の世界観と共通の世界認識に繋がらなければ、科学の意味が無いであろう。光をどのように捉えるか、認識するかはそれが世界の真理を捉えるに欠かせない基礎となると考えている。日本物理学会で、2000年にプランクの業績(発表から100年)を讃えて、特別の大会を開催したように記憶している。第55回年次大会?が新潟大学で行われた。『物理学が問われていること』として三点を挙げた。1.電磁界概念。2.量子力学におけるエネルギー概念。3.特殊相対性理論の曖昧さ。これが物理学における、物理学的解釈の言わば問題にすべき業界論に見えた。市民的日常世界から隔離された、独特の閉鎖社会に見えた。その年がプランクの記念大会とは知らずに、その時点で知った。その翌年、「プランク定数の次元と実在概念」を発表した。量子論で、未解決の問題として、波動性と量子性の両面解釈の曖昧さが物理学の根底に燻ぶっていた。その時の講演発表内容は、光量子概念については余りせずに、『静電界は磁界を伴う』という原点の概要発表が主になったと記憶している。電磁気学の本質を理解しないで、「光量子」概念の理解は困難である、という思いであった。最近の『光量子』概念として私が定義づけているものを解説しておきたい。今回はその序章として、準備もしていないので、過去に学会発表に使った資料を挙げたい。それを見れば、大体の概念は読み取れると思う。第一枚目は、光は『振動等していない』と言う教科書的解釈とは全く異なる意味を表している。そこから光一粒をどのように認識すべきかを二枚目の資料に記した。この一粒の光量子を体積積分すると、いわゆる光量子概念のエネルギー e=hf [J] の値になる。光の振動数 f [Hz] 、プランクの定数 h [Js] による表式に一致する。しかし、このプランクの有名な実験公式(1900年発表)も、その次元から考えれば、信用出来ない公式である。それは、量子概念そのものの過去の解釈をも含めて検証しなければならないのである。現在私が悩んでいる点は、上に提唱した量子エネルギー空間分布の波長寸法(可視光線の波長が3800Å~7600Å )が原子、分子の外形寸法(1Å~数十、数百Å)に対する差が大き過ぎる。その差に対して量子論の作用効果を及ぼす事実に納得できる解釈を得ていない事である。光の波長とは何か?の『問答』に対する『答』を得るには『干渉縞』の計測波長をどう解釈するかが重要な観点と考えている。『干渉縞』の計測・観測の経験が無くてこれ以上の解決、解釈に進めるかは疑問である。現在のところ、光一粒の意味を「振動数」と言う「何が振動しているかの振動実体の曖昧さ」だけは排除した概念でまとめ上げた。その解釈を基礎に進める以外は無いと考える。参考:光量子エネルギーのベクトル解析 日本物理学会講演概要集 第61巻2号1分冊p.291(2006.9.23) 。プリズムと光量子の分散 同上 第64-1-2 p.405 (2009) 。眼球の光ファイバーと光量子 同上 第65巻2号2分冊 p.363 (2010.3.20) 、眼球の光ファイバーと色覚

ここで述べた光量子の空間分布式についてまとめたのが、光とは何か?-光量子像ーである。