粒子と波の回折

ある観点では、光は波のような性質を持つと考えられます。この場合の光は、静かな池の表面が投げ入れた石で乱され、さざ波が全体に広がっていくように、空間を進むエネルギーを生みます。別の観点では、光は絶え間なく流れる粒子で構成されると考えられ、庭の水やりホースのノズルからまかれる水の小さなしずくによく似ています。このインタラクティブチュートリアルでは、不透明な面で回折された粒子と波の振る舞いを探ります。

チュートリアルは、単色赤色光の粒子（光子）が不透明な光阻害物の表面に約90度の入射角で当たることから始まります。阻害物に当たると、粒子は回折されるか（図には描かれていません）、回折されずに阻害物を通り過ぎます。下部にある粒子/波のスライダーを使用すると、粒子ビームを平面的な波面に変えることができます。粒子は波になる前に、波の中に整列します。光波は光阻害物と相互作用し、不透明な障壁の背後にある影の付いた領域に回折されます（曲がります）。入射する波または粒子の前で、不透明な障壁をマウスで前後にドラッグできます。

粒子と波は、物体の縁に当たると異なる振る舞いになり、影を作ります（図1）。ニュートンは1704年刊行の著書「Opticks」の中で、「光が曲がった道をたどることも、影に向かって曲がることも知られていない」と指摘しました。この概念は、光の粒子は必ず直線的に進むと提唱する粒子説に合致します。粒子が障壁の縁に当たると、障壁に阻害されていない粒子が直線的に進み続けるため影を投げかけ、縁の背後に広がることはできません。巨視的スケールではこの観察はほぼ正確ですが、もっと小さなスケールでの光の回折実験で得られる結果には合致しません。

光が細いスリットを通ると、光線が広がって予想以上に幅広くなります。この根本的に重要な観察は、光の波動説の信頼性を大いに支えるものです。水面の波と同様に、物体の縁に当たった光波は縁で曲がって、光線が直接照らさない影の領域に回り込みます。この振る舞いは、いかだの縁ではね返らずに縁を包み込む波に似ています。