ヤングの干渉実験

ヤングの干渉実験は、19世紀初頭にトーマス・ヤングが光の波動説を証明するために記述または実施した数々の光学実験の一つである。これらの実験は、光の波動説の受容に大きな役割を果たした。[ 1 ]そのような実験の一つが、現代の二重スリット実験の原型である。

背景

17世紀後半には、光の性質に関する2つの仮説が議論されました。[ 2 ]ロバート・フックとクリスティアーン・ホイヘンスは波動説を唱え、一方、光に関する多くの実験的研究を行ったアイザック・ニュートンは、光が微粒子の形で発光体から放射されるという粒子説を展開しました。世紀末には、ニュートンが卓越した物理学者として名声を博し、放射説が大きくリードしました。波動説を支持した著名なレオンハルト・オイラーでさえ、その議論を後押しすることはできませんでした。[ 2 ] : xxiii [ 3 ] : 13

ヤングの波動理論に関する研究

1802年にロンドン王立研究所でヤングが行った講義をまとめた1807年出版の本より
ヤングの自然哲学と実験哲学講義要旨（1802年）の表紙

1790年代にゲッティンゲンで医学を学んでいたとき、ヤングは人間の声についての論文を書いた。[ 4 ]ヤングはイギリスで医師として働くためにイギリスの大学で3年間過ごすことが求められた。[ 5 ] : 55 彼はケンブリッジでのその時間を利用して音の物理的、数学的特性について研究した。その研究は、音波の重ね合わせ、つまり2つの独立した音波が結合する仕組みと、結合の結果である干渉を扱った。重ね合わせはヤング以前にも理解されていた。2つの音波が互いを通り抜けることができることが知られていたためである。干渉については2つの音波の周波数が結合の結果に影響を与えるため、あまり理解されていなかった。[ 3 ] : 27

1800年、彼は王立協会に論文（執筆は1799年）を提出し、光も波動であると主張しました。彼の考えはニュートンの粒子理論に反するため、ある程度の懐疑的な反応を示しました。しかし、彼は自身の考えを発展させ続けました。彼は、波動モデルの方が粒子モデルよりも光の伝播の多くの側面をはるかにうまく説明できると信じていました。

非常に広範囲にわたる現象群が、私たちをさらに直接的に同じ結論に導きます。それらは主に、透明な板による色の生成、回折、または屈折による色の生成から成り、そのどれもが放射の仮定に基づいて、発射システムの最も率直な支持者でさえ満足できるほど詳細または包括的に説明されていません。一方、それらはすべて、二重光の干渉の効果から、音でビートの感覚を構成するものとほぼ同じ方法ですぐに理解できます。不完全なユニゾンを形成する2本の弦が一緒に振動するのが聞こえるときです。[ 6 ]

トーマス・ヤングによる水波の観察に基づく干渉のスケッチ[ 7 ]

ヤングは1800年、1801年、1803年に王立協会ベーカー賞講演を行った。 [ 8 ] 1801年の講演「光と色彩の理論について」では様々な干渉現象について説明し、1802年に出版された。[ 9 ]これらの講演でヤングは、上部に45度の鏡を設置し、底をろうそくで照らすリップルタンクを用いて、機械的な水波の干渉を実証した。 [ 5 ] : 108 出版された講演には、等周波数の機械波の2つの発生源からの干渉パターンのスケッチが含まれていた。[ 3 ] : 55

ヤングが干渉の「一般法則」と呼んだものの最初の出版された記述は、1802年1月に彼の著書『自然哲学と実験哲学に関する講義要旨』に掲載されました。

しかし、これらすべての現象を支配する一般法則は、不完全なユニゾンの拍子において2つの音符が交互に強弱を生み出すのと同じように、2つの同時発生する波動が互いに協力したり破壊したりすることから非常に簡単に推測できる。[ 10 ]

ヤングのベイカー講義の最初のものは1802年の春に出版されました。[ 11 ]

二重スリット実験との関係

1803年、ヤングは2つのスリットを用いた実験について記述しました。現代において、この実験は光の波動説の重要な古典的証明とみなされています。しかし、ヤングが実際にどの実験を行い、どの実験を思考実験として記述したのかは明らかではありません。[ 3 ]：118 [ 7 ]：20

ヤングの実験の最初のバージョンでは、太陽光を（ステアリングミラーを使用して）小さな穴に反射させ、紙カードを使用して細いビームを半分に分割しました。[ 5 ]：122 [ 12 ] [ 13 ]

彼は実験の説明の中で、光が 2 つのスリットを通過する可能性についても言及しています。

二重スリット実験の現代的なイラスト

任意の色の光が、所定の幅、あるいは所定の周波数の波動から成り立っていると仮定すると、これらの波動は、既に水波や音波の場合に考察した効果を必ず受けるということになります。互いに近い中心から発せられる2つの等しい波動列は、ある点では互いの効果を打ち消し合い、別の点では互いの効果を増幅させることが示されています。また、2つの音のうなり音も同様の干渉によって説明されています。次に、同じ原理を色の交互結合と消滅に適用します。2つの光の部分の効果をこのように組み合わせるためには、それらが同じ起源から発生し、互いにあまりずれない方向で異なる経路を通って同じ点に到達する必要があります。このずれは、回折、反射、屈折、あるいはこれらの効果の組み合わせによって、一方または両方の部分で生じます。しかし、最も単純なケースは、均一な光線が、発散中心とみなせる2つの非常に小さな穴またはスリットのあるスクリーンに当たる場合であると思われます。そこから光はあらゆる方向に回折します。この場合、新たに形成された2つの光線が、それらを遮るように配置された表面に受光されると、その光は暗い縞模様によってほぼ等しい部分に分割されますが、表面が開口部から遠ざかるほど幅が広くなり、開口部からの距離に関係なくほぼ等しい角度を占め、開口部が互いに近づくほど同じ割合で幅が広くなります。二つの部分の中央は常に明るく、両側の明るい縞模様は、一方の開口部から入ってくる光がもう一方の開口部から入ってくる光よりも、想定される波紋の1つ、2つ、3つ、あるいはそれ以上の幅に等しい間隔だけ長い空間を通過したような距離を置いている。一方、その間にある暗い空間は、想定される波紋の半分、1.5、2.5、あるいはそれ以上の差に相当する。[ 6 ]

批判

1803年から1804年にかけて、ヤングの理論に対する署名のない一連の攻撃がエディンバラ・レビュー紙に掲載された。匿名の筆者（後にエディンバラ・レビュー紙の創刊者であるヘンリー・ブロアムであることが判明）は、読者層におけるヤングの信頼性を著しく損なうことに成功し、ヤングの王立研究所講演集の出版を約束していた出版社が契約を破棄するに至った。この事件をきっかけに、ヤングは物理学よりも医療活動に注力するようになった。[ 5 ]

光の波動説の受容

1817年、シメオン・ドニ・ポアソンを含むフランス科学アカデミーの粒子理論家たちは、粒子理論家が受賞すると確信し、翌年の賞のテーマを回折に設定した。[ 14 ]オーギュスタン＝ジャン・フレネルは波動理論に基づき、ホイヘンスの原理とヤングの干渉原理を統合した内容の論文を提出した。[ 2 ] 光の粒子理論の支持者であるポアソンは、フレネルの理論を詳しく研究し、その誤りを証明する方法を探した。ポアソンは、フレネルの理論の結果、光の粒子理論によれば完全な暗闇となるはずの点光源を遮る円形の障害物の影の中に、軸上の明るい点が存在すると主張したとき、欠陥を見つけたと思った。フレネルの理論は正しいはずがない、この結果は明らかに馬鹿げている、とポアソンは断言した。しかし、委員会の委員長ドミニク＝フランソワ＝ジャン・アラゴは実験を行う必要があると考えました。彼は2mmの金属円盤をワックスでガラス板に成形し[ 15 ]、予測された斑点を観察しました。これにより、ほとんどの科学者は光の波動性を確信しました。最終的にフレネルが競争に勝利しました。アラゴは後に、この現象（アラゴ斑点と呼ばれることもある）はジョセフ＝ニコラ・デリスル[ 1 ]によって既に観測されていたと述べています。

参照

参考文献

脚注

引用

  1. ^ a b Heavens, OS; Ditchburn, RW (1991). Insight into Optics . John Wiley & Sons . ISBN 978-0-471-92769-3。
  2. ^ a b c Born, M. ; Wolf, E. (1999). 『光学原理』ケンブリッジ大学出版局. ISBN 978-0-521-64222-4。
  3. ^ a b c dキプニス、ナフム（1991年）『光の干渉原理の歴史』バーゼル：バーゼル・ビルクハウザー・センター。doi ： 10.1007 /978-3-0348-8652-9。ISBN 978-3-0348-9717-4。
  4. ^ペシック、ピーター（2013年1月）「トーマス・ヤングの音楽光学：音を光に変換する」オシリス誌28 ( 1): 15– 39. doi : 10.1086/671361 . ISSN 0369-7827 . 
  5. ^ a b c dロビンソン、アンドリュー (2006). 『すべてを知っていた最後の男』 ニューヨーク: Pi Press. pp.  115–120 . ISBN 0-13-134304-1。
  6. ^ a bヤング、T. (1807). 『自然哲学と機械工学に関する講義録』第1巻.ウィリアム・サベージ. 講義39, pp. 463–464. doi : 10.5962/bhl.title.22458 .
  7. ^ a bロスマン、T. (2003). 『すべては相対的であり、科学技術におけるその他の寓話』ジョン・ワイリー・アンド・サンズ. ISBN 978-0-471-20257-8。
  8. ^ 「350周年記念号の著者Q&A：マイケル・ランド | 王立協会」royalsociety.org . 2025年9月28日閲覧。
  9. ^ヤング、T. (1802). 「ベイカー講演：光と色彩の理論について」 .ロンドン王立協会哲学論文集. 92 : 12–48 . doi : 10.1098/rstl.1802.0004 . JSTOR 107113 . 
  10. ^ヤング、トーマス（1802年）『自然哲学と実験哲学講義シラバス』ロンドン：W・サベージ著、王立研究所刊、p.117。
  11. ^ Mollon, JD (2002). 「干渉概念の起源」 .哲学論文集: 数学、物理学、工学. 360 (1794): 807– 819. ISSN 1364-503X . 
  12. ^ Scheider, Walter (1986年4月1日). 「科学の偉大な瞬間の一つを教室にもたらす」 . The Physics Teacher . 24 (4): 217– 219. doi : 10.1119/1.2341987 . ISSN 0031-921X . 2022年3月31日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2025年9月30日閲覧。 
  13. ^ Veritasium (2013-02-19), The Original Double Slit Experiment、2017年7月23日閲覧。
  14. ^メイソン, P. (1981). 『The Light Fantastic』ペンギンブックス. ISBN 978-0-14-006129-1。
  15. ^ AJ フレネル(1868)。オーギュスタン・フレネル作品「テオリ・ド・ラ・リュミエール」を完成。帝国帝国。 p. 369.
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