この項目 こうもく では、一般 いっぱん 的 てき な波動 はどう について説明 せつめい しています。オカルト における波動 はどう については「波動 はどう (オカルト) 」をご覧 らん ください。
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表面 ひょうめん 波 は の例 れい 。水面 すいめん を棒 ぼう で突 つ き、突 つ いた箇所 かしょ から同心円 どうしんえん 状 じょう に波面 はめん が生 しょう じている。水面 すいめん の金属 きんぞく のような光沢 こうたく は、照明 しょうめい を低 ひく い角度 かくど から照射 しょうしゃ していることによる。
波動 はどう (はどう、英 えい : wave )または波 なみ (なみ)は、エネルギー が伝 つた わる現象 げんしょう ・幾何 きか 学 がく 的 てき に同 おな じようなパターン(波形 はけい )が空間 くうかん を伝播 でんぱ する現象 げんしょう のことである。
波動 はどう の例 れい として、水面 すいめん の振動 しんどう によって生 しょう じる水面 すいめん 波 は や、電波 でんぱ や可視 かし 光線 こうせん のような電磁波 でんじは 、空気 くうき 中 ちゅう や物質 ぶっしつ 中 ちゅう を伝 つた わる音波 おんぱ などがある。また透過 とうか 電子 でんし 顕微鏡 けんびきょう などは結晶 けっしょう を透過 とうか する電子 でんし 線 せん が回折 かいせつ 像 ぞう を生 しょう じるという性質 せいしつ を利用 りよう している。
音波 おんぱ などの波動 はどう を伝 つた える物質 ぶっしつ を波動 はどう の媒質 ばいしつ と呼 よ ぶ。媒質 ばいしつ の存在 そんざい は必 かなら ずしも必要 ひつよう でなく、例 たと えば電磁波 でんじは は電磁場 でんじば そのものの振動 しんどう であり、一般 いっぱん 相対性理論 そうたいせいりろん における重力 じゅうりょく 波 は は質量 しつりょう を持 も つ物体 ぶったい の振動 しんどう により生 しょう じる時空 じくう の歪 ゆが みである。
波動 はどう は進行 しんこう 方向 ほうこう と振動 しんどう 方向 ほうこう によって縦 たて 波 は と横波 よこなみ に分類 ぶんるい される。進行 しんこう 方向 ほうこう と平行 へいこう に振動 しんどう する波 なみ を縦 たて 波 は 、進行 しんこう 方向 ほうこう に垂直 すいちょく に振動 しんどう する波 なみ を横波 よこなみ と呼 よ ぶ。
横波 よこなみ の振動 しんどう 方向 ほうこう が(進行 しんこう 方向 ほうこう と平行 へいこう な平面 へいめん 上 じょう で)規則 きそく 的 てき に変化 へんか する状態 じょうたい を偏 へん 極 きょく といい、特 とく に光 ひかり に対 たい しては偏 へん 光 こう という。横波 よこなみ の振動 しんどう は進行 しんこう 方向 ほうこう に対 たい して複数 ふくすう の向 む きを持 も ち得 え るが、縦 たて 波 は は進行 しんこう 方向 ほうこう と平行 へいこう な向 む きにしか振動 しんどう せず偏 へん 極 きょく を持 も たない。
波動 はどう に特徴 とくちょう 的 てき な現象 げんしょう として、干渉 かんしょう と回折 かいせつ が挙 あ げられる。干渉 かんしょう は複数 ふくすう の波動 はどう が重 かさ なり互 たが いを打 う ち消 け し合 あ ったり強 つよ め合 あ ったりする現象 げんしょう であり、回折 かいせつ は障害 しょうがい 物 ぶつ や開口 かいこう を通 とお った波動 はどう が幾何 きか 光学 こうがく 的 てき に到達 とうたつ できない領域 りょういき に伝播 でんぱ する現象 げんしょう である。
数学 すうがく 的 てき には、干渉 かんしょう および回折 かいせつ は波動 はどう 方程式 ほうていしき の解 かい の性質 せいしつ として得 え られる。また物理 ぶつり 学 がく において、波動 はどう の干渉 かんしょう は重 かさ ね合 あ わせの原理 げんり によって、波動 はどう の回折 かいせつ はホイヘンス=フレネルの原理 げんり によって説明 せつめい される。
波 なみ に乗 の って移動 いどう する点 てん は、波 なみ の大 おお きさに合 あ わせて振動 しんどう する。
波動 はどう 方程式 ほうていしき で表 あらわ せるような波動 はどう を線形 せんけい 波動 はどう という。線形 せんけい 波動 はどう について重 かさ ね合 あ わせの原理 げんり が成 な り立 た つ。
進行 しんこう 波 は 同士 どうし は互 たが いに影響 えいきょう を与 あた えない
複数 ふくすう の波 なみ が重 かさ なる領域 りょういき での振幅 しんぷく は、それらの波形 はけい の和 わ の振幅 しんぷく に等 ひと しい
重 かさ ね合 あ わせの原理 げんり によって説明 せつめい される現象 げんしょう に、干渉 かんしょう がある。位相 いそう の揃 そろ った波 なみ の重 かさ ね合 あ わせは互 たが いを強 つよ め合 あ うが、位相 いそう が半分 はんぶん 程度 ていど ずれた波 なみ の重 かさ ね合 あ わせは互 たが いを打 う ち消 け し合 あ う。
波動 はどう が障害 しょうがい 物 ぶつ の近 ちか くを通 とお ると、障害 しょうがい 物 ぶつ の周 まわ りに波面 はめん が回 まわ り込 こ んで伝 つた わることがある。この現象 げんしょう を回折 かいせつ という。回折 かいせつ 現象 げんしょう はホイヘンス=フレネルの原理 げんり により説明 せつめい される。ホイヘンス=フレネルの原理 げんり によれば、前進 ぜんしん 波 は の波面 はめん から二 に 次 じ 的 てき な球面 きゅうめん 波 は (素 もと 元 もと 波 なみ )が生 しょう じ、それらが重 かさ ね合 あ わさることで回折 かいせつ を引 ひ き起 お こすと考 かんが えられる。
周期 しゅうき 性 せい を持 も つ波動 はどう 、特 とく に、正弦 せいげん 波 は では、振動 しんどう 数 すう 、周期 しゅうき 、振幅 しんぷく 、波数 はすう 、波長 はちょう などの物理 ぶつり 量 りょう が定義 ていぎ される。
同 おな じ時刻 じこく に場 ば の量 りょう が同 おな じ値 ち をとる点 てん の集 あつ まりによってできる面 めん を波面 はめん という。波面 はめん が球面 きゅうめん のものを球面 きゅうめん 波 は という。波面 はめん が平面 へいめん のものを平面 へいめん 波 は という。
平面 へいめん における縦 たて 波 は の変化 へんか を表 あらわ した動画 どうが 。
平面 へいめん における横波 よこなみ の変化 へんか を表 あらわ した動画 どうが 。
定常波 ていじょうは
点 てん 音源 おんげん から生 しょう じる粗密 そみつ 波 は (縦 たて 波 は )のシミュレーション 。
最 もっと も初期 しょき に知 し られた波動 はどう 現象 げんしょう は水面 すいめん を伝 つた わる振動 しんどう としての波 なみ であると考 かんが えられる。
光 ひかり の波動 はどう 性 せい [ 編集 へんしゅう ]
波動 はどう 性 せい を持 も つものとしてよく知 し られているものに光 ひかり がある。しかしかつては光 ひかり が波 なみ であるか粒子 りゅうし であるか議論 ぎろん があった。
光 ひかり の粒子 りゅうし 説 せつ の初期 しょき の支持 しじ 者 しゃ にアイザック・ニュートン がいる。ニュートンは粒子 りゅうし 説 せつ に基 もと づいて光 ひかり の直進 ちょくしん 性 せい や屈折 くっせつ を説明 せつめい した。ニュートンの光学 こうがく 研究 けんきゅう の成果 せいか は1704年 ねん の著作 ちょさく 『光学 こうがく 』に収 おさ められている。
光 ひかり の波動 はどう 説 せつ の初期 しょき の支持 しじ 者 しゃ にルネ・デカルト 、ロバート・フック 、クリスティアーン・ホイヘンス らがいる。特 とく にホイヘンスは1678年 ねん に「ホイヘンスの原理 げんり 」として知 し られる原理 げんり を提案 ていあん した。ホイヘンスの光学 こうがく に関 かん する仕事 しごと は1690年 ねん の著作 ちょさく “Traité de la Lumière (英語 えいご 版 ばん ) ” に収 おさ められている。波動 はどう 説 せつ によっても光 ひかり の屈折 くっせつ は説明 せつめい されたが、媒質 ばいしつ 中 ちゅう の光速 こうそく の扱 あつか いは粒子 りゅうし 説 せつ と波動 はどう 説 せつ で異 こと なり、粒子 りゅうし 説 せつ では光速 こうそく が屈折 くっせつ 率 りつ に比例 ひれい し、波動 はどう 説 せつ では屈折 くっせつ 率 りつ に反比例 はんぴれい すると考 かんが えられた。ホイヘンスやニュートンの時代 じだい には媒質 ばいしつ 中 ちゅう の光速 こうそく を測定 そくてい することができなかったが、1850年 ねん にレオン・フーコー が行 おこな った実験 じっけん により水中 すいちゅう の光速 こうそく が空気 くうき 中 ちゅう より遅 おそ くなるという波動 はどう 説 せつ を支持 しじ する結果 けっか が示 しめ された。
光学 こうがく 現象 げんしょう に関 かん して、1665年 ねん にフランチェスコ・マリア・グリマルディ によって光 ひかり の回折 かいせつ 現象 げんしょう が報告 ほうこく された。
1805年 ねん 頃 ごろ にトーマス・ヤング による干渉 かんしょう 実験 じっけん (ヤングの実験 じっけん )が行 おこな われた。
光 ひかり が波 なみ であるという主張 しゅちょう には、光 こう が縦 たて 波 は であるというものと横波 よこなみ であるというものがある。デカルトやフックは縦 たて 波 は であると主張 しゅちょう したが、ラスムス・バルトリン が1669年 ねん に発見 はっけん した(偏 へん 光 こう によって生 しょう じる)複 ふく 屈折 くっせつ を説明 せつめい できなかった。光 ひかり が横波 よこなみ であるということと、複 ふく 屈折 くっせつ が偏 へん 光 こう によって説明 せつめい できることはオーギュスタン・ジャン・フレネル によって示 しめ された。フレネルはまたホイヘンスの原理 げんり を改良 かいりょう し、後進 こうしん 波 は の問題 もんだい を解決 かいけつ した。
人間 にんげん が目 め にする光 こう が電磁波 でんじは の一種 いっしゅ であることは1864年 ねん に提案 ていあん されたジェームズ・クラーク・マクスウェル の電磁気 でんじき 学 がく の理論 りろん から予想 よそう された。マクスウェル方程式 ほうていしき から電磁場 でんじば の波動 はどう 方程式 ほうていしき が得 え られ、その位相 いそう 速度 そくど は当時 とうじ 知 し られている真空 しんくう 中 ちゅう の光速 こうそく の値 ね に近 ちか いことが示 しめ された。
1887年 ねん 頃 ごろ からハインリヒ・ヘルツ は電磁波 でんじは の性質 せいしつ を調 しら べ、干渉 かんしょう ・回折 かいせつ ・偏 へん 光 こう などが起 お こることを確 たし かめ、マクスウェルの理論 りろん が正 ただ しいことを裏付 うらづ けた。
マクスウェルの理論 りろん において、電磁波 でんじは は波数 はすう ベクトル に直交 ちょっこう する電磁場 でんじば の振動 しんどう として与 あた えられる。これは電磁波 でんじは (したがって光 ひかり )が横波 よこなみ であることの理論 りろん 的 てき 裏付 うらづ けといえる。
光 ひかり の波動 はどう 説 せつ を取 と る際 さい 、波動 はどう を伝 つた える媒質 ばいしつ が必要 ひつよう であるという考 かんが えから、光 ひかり の媒質 ばいしつ としてエーテル という物質 ぶっしつ の存在 そんざい が仮定 かてい された。エーテルの性質 せいしつ は1851年 ねん のフィゾーの実験 じっけん や1887年 ねん のマイケルソン・モーリーの実験 じっけん などを通 つう じて検証 けんしょう されたが、マイケルソン・モーリーの実験 じっけん 結果 けっか や特殊 とくしゅ 相対性理論 そうたいせいりろん を通 つう じて、現在 げんざい ではエーテルのような媒質 ばいしつ は存在 そんざい せず、電磁波 でんじは は真空 しんくう 中 ちゅう を伝播 でんぱ すると理解 りかい されている。
ヤングに始 はじ まる光 ひかり の波動 はどう 性 せい の検証 けんしょう を通 つう じ、光 ひかり の波動 はどう 説 せつ の正 ただ しさは確 たし かなものとなったが、一方 いっぽう で波動 はどう 説 せつ で説明 せつめい できない電磁気 でんじき 現象 げんしょう も発見 はっけん されている。例 たと えば1886年 ねん 頃 ごろ にヘルツが発見 はっけん した光 ひかり 電 でん 効果 こうか は古典 こてん 的 てき な電磁気 でんじき 学 がく では説明 せつめい できず、光 ひかり 電 でん 効果 こうか はアインシュタインによる光量子 こうりょうし 仮説 かせつ (光子 こうし )と仕事 しごと 関数 かんすう の導入 どうにゅう によって説明 せつめい されることになる。この光 ひかり に関 かん する粒子 りゅうし と波動 はどう の二 に 重 じゅう 性 せい は電磁場 でんじば の量子 りょうし 化 か によって理解 りかい される。
物質 ぶっしつ の波動 はどう 性 せい [ 編集 へんしゅう ]
1924年 ねん 、ルイ・ド・ブロイ はアルベルト・アインシュタイン の光量子 こうりょうし 仮説 かせつ に触発 しょくはつ され物質 ぶっしつ 波 は という考 かんが え方 かた を提案 ていあん した。エルヴィン・シュレーディンガー はド・ブロイの物質 ぶっしつ 波 は の理論 りろん の一般 いっぱん 化 か を試 こころ み波動 はどう 力学 りきがく を創始 そうし した。波動 はどう 力学 りきがく は、先行 せんこう して発表 はっぴょう されたヴェルナー・ハイゼンベルク らによる行列 ぎょうれつ 力学 りきがく と合 あ わせて量子力学 りょうしりきがく として発展 はってん した。
物質 ぶっしつ 波 は の考 かんが えは1923年 ねん から1927年 ねん に行 おこな われたデイヴィソン=ガーマーの実験 じっけん によって実験 じっけん 的 てき に裏付 うらづ けられた。