鏡で反射する粒子と波

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れられます。これは、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、滑らかな面で反射し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）が鏡の表面に約60度の入射角で当たることから始まります。表面ではね返った後、粒子は入射角と等しい反射角（鏡に対して垂直な面から計測）で空間を進みます。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。

波動説と粒子説の優れた比較としては、光が滑らかな鏡面（鏡など）から反射するときに生じる違いがあります。波動説では、光源から発した光波はあらゆる方向に広がると考えます。鏡に当たった波は到達した角度に応じて反射しますが、前面に戻るそれぞれの波は反転画像を作ります（図1）。到達する波の形は、光源が鏡からどれくらい離れているかに強く依存します。近接した光源から発せられた光は、球状の大きく湾曲した波面を維持していますが、離れた光源からの光はより広がり、ほぼ平面の波面で鏡に当たります。

光が持つ粒子の性質は、屈折よりも反射現象に関して、格段に強くなります。光源が近いか遠いかにかかわらず、光源から発せられた光が粒子の流れとして鏡の表面に到達すると、滑らかな面からはね返ります（反射します）。粒子は非常に小さいため、伝搬される光線に大量に含まれ、互いに密接して移動します。粒子が鏡に当たるとさまざま点からはね返るため、光線内での順序は反射時に逆になり、図1に示すように反転画像が作られます。粒子説も波動説も、滑らかな面からの反射を十分説明しています。ただし粒子説では、表面が非常に粗い場合、粒子がさまざまな角度ではね返り、光が散乱することも示唆しています。この説は実験的観察に極めて適合します。