たのしい演劇

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俳優の錬金術　視覚visual system 65

光学Optics

光学の歴史History of optics　量子光学 Quantum optics

.物質と光の相互作用matter-light interactionを扱う量子力学のサブフィールドは
「光」よりむしろ物質研究 に対象を置かれ　 原子物理学　量子エレクトロニクスに組まれた

しかし　1953年のメーザーmaser　1960年のレーザーlaser の発明は
　レーザー原理の基礎となる量子力学　光の特性の研究　「量子光学」が重要となり
更に　レーザー科学Laser scienceに必要な理論基盤の研究は
　実を結ぶことも実証され　量子光学への関心が高まる


量子場理論におけるポール.ディラックの研究に続いて

ジョージ.スダルシャンGeorge Sudarshan 1931 – 2018 インド　理論物理学

ロイJ.グラウバーRoy Jay Glauber 1925 – 2018) 米　理論物理学
　　2005年”光のコヒーレンス/一貫性optical coherenceの量子理論への貢献”ノーベル物理学受賞

レナード.マンデルLeonard Mandel 1927 –2001) 米　量子光学分野の創始者の一人.
　　　　　　1950年代および1960年代に電磁場に量子理論を適用
　　　　　　光検出と光の統計についてより詳細な理解を得る




ポール・ディラック Paul Dirac 1902 – 1984) 英　理論物理学　「20世紀の最も重要な物理学者の一人」
1933年　新形式の原子理論発見に対し　ノーベル物理学(Erwin Schrödingerと共に)受賞
寡黙であるが　彼の一言は数式さながら　簡明にして真である　が故にその発言における逸話が数々残る
あのアインシュタインをして
「私はディラックに困っている　天才と狂気の狭間に在ってめまいを覚える」
「ディラックをまったく理解できない（コンプトン効果compton effect）」と云わせている

彼の生徒よりの質問「基本的な信念は何か？」を受け
「自然の法則は美しい方程式で表現されるべきである」と応えている

ディラック の反神論発言(神は平民を牛耳る為に政治家と教会が作り上げた幻想)
を受けウェストミンスター寺院(英国教会) への埋葬に至るまで5年を要した　


エルヴィーン・シュレーディンガー Erwin Schrödinger1887 – 1961)オーストリア生 アイルランド　物理学　

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光学Optics

光学の歴史History of optics　量子光学 Quantum optics

アインシュタインの後 ニールス.ボーアNiels Bohrはにより　
原子atomは離散的discreteな量のエネルギーしか放出できないことが示される
これら開発から得た　光と物質の相互作用の理解は 量子光学の基礎を形成しただけでなく
量子力学全体の発展にとって重要であった

ニールス.ボーア Niels Bohr (Danish: 1885 – 1962) デンマーク　物理学　哲学　科学研究の推進者
原子構造atomic structureと量子論quantum theoryの理解と基本的な貢献により
1922年にノーベル物理学賞を受賞

エンリコ.フェルミEnrico Fermi　仮想ニュートリノとそれに続く1932年の中性子newtron　発見

Enrico Fermi 1901 – 1954)伊 物理学者 世界初の原子炉 シカゴパイルChicago Pile/1の製作者
　　　　 「核時代の創案者」 「原爆の建設者」と呼ばれる 　1938年ノーベル物理学受賞

1936年　ボーア　複合核compound nucleusの新しい理論を作成
　原子核nucleusに於ける中性子neutronの結合を説明

1938年12月にOtto Hahnが核分裂を発見（およびLise Meitnerによる理論的説明）
物理学者の間で強い関心を引き起こす

　　Otto Hahn 1879 – 1968) 独　化学者
放射能radioactivityと放射化学radiochemistry分野のパイオニア 　
　　 1938年　オットー.ハーンとリセ.メイトナーは核分裂を発見（彼だけがノーベル賞を受賞）
　　 「核化学の父」と呼ばれる　
WW2にアメリカ イギリス カナダで開発された核兵器nuclear weaponの基礎を築いた

　　1944年 核分裂の発見と放射化学的証明によりにノーベル化学賞を受賞
　　
1939年1月26日　ボーアはそのニュースを米国に持ち込み
　フェルミと理論物理学に関する第5回ワシントン会議を開催
ジョージ.プラツェクGeorge Placzec1905 – 1955.チェコ　物理学)とのやり取りから

核液滴モデルに基づき　核連鎖反応ウランUranium235 　ウラン238ではない　と結論　

1939年9月の「核分裂のメカニズムMechanism of Nuclear Fission」に関する論文発表


ボーアは
　セーレン・キェルケゴール Søren Kierkegaard 5 May 1813 – 11 November 1855
デンマーク　実存主義の創始者) を敬愛
 "量子世界は抽象的な物理的記述にすぎない
　物理学の仕事は自然の様相を見つけることであると考えるのは間違い
　物理はむしろ我々が語る自然について憂慮している”と語る

1947年エレファント勲章(デンマークでもっとも位の高い勲章 )受賞
　ボーアは　量子物理学と東洋哲学に共通性を見出しており　自らの紋章中央に『陰陽』を置く
　標語は”opposites are complementary” 相補う

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光学Optics

光学の歴史History of optics　量子光学 Quantum optics


1905年　アインシュタインは光電効果の理論photoelectric effectを発表
その仮説の　唯一の可能な説明は　光自体の量子化である　と 量子物理学quantum theoryへ導入

光線beam of lightは空間を伝播する波 むしろ
　離散波束discrete wave packets(光子photon)の集まりであると提案

光電効果photoelectric eggectの研究は
光lightと電子electronの量子的性質を理解する上で重要なステップとなり
波動-粒子双対性wave-particle dualityの概念の形成に影響を与えた

光が電荷の動きに影響を与える他の現象
光伝導効果photoconductive effect
（光伝導性photoconductivityまたはフォトレジスト性photoresistivity）
光起電力効果photovoltaic effect、および
光電気化学効果photoelectrochemical effectが　含まれる

アルバート.アインシュタインAlbert Einstein (14 March 1879 – 18 April 1955)
ドイツ生れ　米　理論物理学　現代物理の父
1921年　光電効果photoelectric effect によりノーベル物理学受賞　



思考実験 thought experiment
頭の中で想像するだけの実験
科学の基礎原理に反しない限りで　極度に単純・理想化された前提により遂行

実験を実施するのでなく　日常経験より仮説　演繹　比較し
理論のより深い洞察に達した考察や
元の理論に反駁　新たな理論の必要性を示す
また　それを発展させるの為の考察を云う


アインシュタインの思考実験
彼は物理学を非常に視覚的に理解した
特許庁に務める間　理論的概念の物理的影響を　視覚刺激　として感受している
彼の思考実験スタイルは　彼の論文をして鮮明詳細で　手に取る様に描写され
　それらは　同時代の理論物理学者とは大きく違った

アインシュタイン16歳の折　微睡の中でルシッドドリーム(光線と競争して走る自分)を観る
その夢の衝撃をパラドックスの一撃と表現し： 

速度c（真空中の光の速度）で光線を追跡する場合
　そのような光線を　振動しながらも静止している電磁界として観察すべきか？
そんな事は在り得ない　
しかし　そのような観察者の立場から判断すると
　すべての事は　地球に対して静止している観察者と同じ法則に従って起こる筈
　そのことはアインシュタインにとって直感的に明らかであった
最初の観察者はどのようにして高速均一運動の状態にあることを知っているか　または決定できるのか？
と問う

このパラドックスには　特殊相対性理論の芽生えがすでに含まれている 　と専門家は観る

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光学Optics

光学の歴史History of optics　量子光学 Quantum optics


量子光学は 量子化quantizedされた光 光子photon の性質と効果の研究

真空中を伝播する光photon/整数の粒子　により　エネルギーと運動量が量子化される

光は粒子/photonで構成されているため 本質的に量子化される

”光は量子化されるかもしれない”　という最初の前表は　
光.物質間のエネルギー交換は　”量子quanta” と呼ばれる離散的な量discrete amountsでのみ起こる
　と仮定することで　黒体放射を正しくモデル化できた　1899年のマックス.プランクによる

この離散性discretenessの原因が物質matterなのか光loghtなのかは不明だった


マックス.プランクMax Planck,1858 – 1947) ドイツ　理論物理学
1918年 量子quanta 発見により　ノーベル物理学賞受賞



1894年プランクは黒体放射black-body radiationの問題に注意を向ける
“黒体black-body（完全な吸収放射体)によって放出される
電磁放射electromagnetic radiationの強さは
放射の周波数(光の色)と黒体(想像上の物質)の温度にどう依存するか？”

1899年にプランクが最初に提案した問題の解決策は”基本的無秩序の原理”から　ウィーンの法則Wien’s lawを導き出し 修正
実験的に観測された黒体スペクトルを説明した
　プランク黒体放射法Planck black-body radiation law最初のバージョンを導き出す

が　エネルギーの量子化quantisationは含まれない

1900年11月　プランクはこの最初のアプローチを改訂
　彼の放射法の背後にある原理の より基本的な理解を得るため
　熱力学の第2法則second law of thermodynamics
　ボルツマンBoltsmann’sの統計的解釈statistical interpretation　に向き合う

1900年12月14日にDPG/German Physical Society に提出された
彼の新しい理論の背後にある中心的な仮定は
　量子力学quantum mechanicsの基本原理の1つであるプランク仮説Planck postulate
”電磁エネルギーは量子化
(荷電振動子エネルギーが離散的になっている) された形式でのみ放出できる”

エネルギーは振動数 ν に比例するエネルギー素量（エネルギー量子） E
E=hv の整数倍の値のみ取りうる

二つの大戦を挟み　家族の多くと死別　喪失感に苦しんだ
特に最も愛しんだ次男アーウィンErwin(12 March 1893 – 23 January 1945) は
1944年ヒトラー暗殺に参加　処刑される
は　彼をして生きる意欲を奪い　1947年永眠


プランクは宗教について

一般的に　宗教的教義の本質的な支持と確認と　依然見なされている奇跡
　以前は　疑いもなく批判もなく　純粋かつ単純な事実として受け入れられた
しかし　奇跡への信念は　容赦なく確実に科学の進歩の前に段階的に後退しなければならず
　遅かれ早かれ完全に消滅しなければならないことを疑うことはできない　と云う

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光学Optics

光学の歴史History of optics　ルネサンスと近代初期Renaissance and Early Modern

オーギュスタン・ジャン・フレネル Augustin-Jean Fresnel1788 – 1827)
フランス　土木技術者civil engineer　物理学

フレネル   の光学研究は ニュートンの光粒子説の残骸を除き
研究者を　光の波動理論　へと導いた

フレネルは　反射屈折catadioptic（反射reflective/屈折refractive）フレネルレンズFresnel lens発明
　灯台の可視性を拡張し海上の無数の命を救うための階段状レンズstepped lense使用の先駆者
より単純な屈折（純粋屈折）段付きレンズは　スクリーン拡大鏡等に用いる

フレネルは　ホイヘンス Huygenの二次波の原理と　ヤングYoungの干渉の原理を元に
　単純な色は正弦波sin waveで構成されると仮定し
　直線伝搬rectilinear propagationの波理論に基づく説明を含む
　 直線エッジによる回折diffractionを説明　

さらに　光は完全に横波transverseであると仮定して
　偏光polarizationの性質 色偏光chromatic polarizationのメカニズム
透明transparentな2つの等方性媒質isotropic media(分子の配置が方向に依存しない)の界面での
透過率transmissionと反射率reglection coefficient を説明

次に　方解石/異方性Anisotropy に入射した光の方向速度と偏光の関係を一般化
　複屈折Birefringencを 結晶における屈折refraction光線の方向と偏光polarizationで説明

その後 フレネルの菱形Fresnel rhomb/プリズム
直線偏光liner polarization
円偏光circular polarization
　楕円偏光elliptical polarizationという用語を作り出し
旋光optical totationを2方向への伝播速度の違いとして理解する方法を説明


フレネルは生涯にわたり　結核との戦いを繰り返し39歳で他界　
　死の床において 彼の才能と研究を支え続けたフランソワ･アラゴ François Arago1786 – 1853) により
　 ロンドン王立協会Royal Society of LondonのランフォードメダルRumford Medalは授与される　

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光学Optics

光学の歴史History of optics　ルネサンスと近代初期Renaissance and Early Modern

トーマス.ヤングThomas Young(1773 – 1829)英　博物学者　
視覚 光 固体力学solid mechanics エネルギー 生理学physiology 言語
ヤングの平均律 エジプト学Egyptology(ロゼッタストーンの解読)　の分野で貢献

ヤングの実験 Young's interference experiment,
複(2)スリットを用いた光の干渉性interferenceを示す実験 光の波動性を示す
光源からの光をスリット/長方形の絞り に通す　対面する衝立上に干渉縞を生じる

干渉：
　複数の波が重なり合い
　強め合う/同位相(山と山/谷と谷)　弱め合う/逆位相(山と谷)　する現象

1790年代にゲッティンゲンGöttingen で医学を学んでいる間に
ヤングは音の物理的および数学的特性に関する論文を書き
1800年に王立協会Royal Societyに論文発表　光も波であると主張

1803年11月24日　ロンドン王立協会にて　ヤングの実験を披露
『Experiments and Calculations Relative to Physical Optics(1804)』著す
光の波動説を証明

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光学の歴史History of optics　ルネサンスと近代初期Renaissance and Early Modern

フランチェスコ・マリア・グリマルディ Francesco Maria Grimaldi (1618 – 1663)
イタリアのイエズス会Jesuit司祭priest 数学 物理学 　ボローニャBolognaのイエズス会大学教育者

光の回折diffraction of lightを正確に観察した最初の人物
（いくつか研究ではレオナルド.ダ.ヴィンチ1452–1519) もそれを指摘とあり）

観察された光の通過は　実験予測”光は直線的経路を通る”　と一致しない事を証明

穴を通過した光は円錐形coneを成した

ラテン語の”光がさまざまな方向に分解する”diffringere より回折diffractionと命名
グリマルディの死後　その観測結果は
『The physical mathematics of light, color, and the rainbow, and other things appended …1665) 』発表された

その後の物理学者Christiaan Huygensは 彼の研究を元に　光の波動説を提案(1678)

アイザック.ニュートンはその結果を 光線の屈折inflexionに起因すると　説く




ジェームズ.グレゴリーJames Gregory(1638 – 1675) スコットランド 数学 天文学 He described an early
反射望遠鏡（グレゴリアン望遠鏡) 初期設計　三角法trigonometryの進展に貢献　

『Optica Promota(1663)』

グレゴリーは鳥の羽によって引き起こされた回折のパターンを観察
それは事実上最初に発見された回折格子diffraction patterns

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光学Optics

光学の歴史History of optics　ルネサンスと近代初期Renaissance and Early Modern


アイザック.ニュートンIsaac Newton (1643–1727)数学.物理学.天文学.神学.自然哲学(錬金術)

『Opticks: A Treatise of the Reflexions, Refractions, Inflexions and Colours of Light
光学：光の反射　屈折　屈折　色彩(1704)』

は 光の屈折refraction of lightを調査
　プリズムprismが白色光を色のスペクトルspectrumに分解する
レンズと2番目のプリズムが多色のスペクトルを白色光に再構成する　ことを論じる
光スペクトルは　照射される如何なる物体によっても　その光の特性を変えない　ことを示す
したがって 色とは　物体が色を生成するのではなく
　すでに色付けされた光と相互作用する物体との結果(スペクトル)である　ことをし論じた
「ニュートンの色理論Newton’s theory of colour」

この研究から　レンズ/ガラスを研削した ニュートン.リングnewton’s ringを使用し
　望遠鏡に現れる光の様相を観察　　光の分散dispersionスペクトルの影響を受けない
光の干渉を利用した　反射望遠鏡Newton’s telescopeを発明

しかし　その性質について　光の波性と関連付けが必要であったが
光の粒子説を主張するニュートンは 　(高密度の物質に高速で照射し屈折した)
　　”透過か反射の発作か？fits of easy transmission or reflection “と　する

1675年　ニュートンは粒子間の力を伝達するためにエーテルetherの存在を提案『Hypothesis of Light』


ニュートンは『光学』にて　実験的証拠を超える　光についての推測を展開

光は非常に微妙な粒子で構成されており　(通常の物質はより粗大)
物体と光は相互に変換可能しない　そして... 物質構成要素に入る光の粒子の活動を受け取らない
　一種の錬金術が働くのか？　と

ニュートンんは色が光の物理的特性から生じることを実験により理解している
　色はプリズム/レンズ通過した光の屈折の結果であることも　
しかし　ニュートンは　色彩とは光自体の固有の特性ではない　人間の知覚である　と明確に述べる

知覚される色彩は　全音階のトーンの様に　調和的に比例して現れる

神が「始めに」物質を作り　人間が「化学反応」を科学する適切な方法とは？
　光は果たして物質なのか？　 と問う


1671年に王立協会にて　反射望遠鏡を披露
協会の後押しにより　『光学』出版

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光学Optics

光学の歴史History of optics　ルネサンスと近代初期Renaissance and Early Modern

ヴィレブロルト・スネル Willebrord Snellius（1580–1626）
　オランダ　天文学　数学
　数学の屈折法則（1621）を発見

　スネルの法則：屈折の法則
　波動一般の屈折現象における二つの媒質中の進行波の伝播速度と入射角・屈折角angles of incidence or refraction の関係を表した法則

.その後　ルネ.デカルト（1596〜1650）は
　幾何学geometryと屈折の法則（デカルトの法則law of refraction）を使用し
虹の角半径(角が眼に当たる角度) が42°であること
これらの光を再び集めれば白い光が再現する こと　『方法序説(1637)』 を著す



クリスティアーン・ホイヘンス Christiaan Huygens（1629–1695）オランダ　物理学　数学　天文学　発明家
　史上最高の科学者の1人　
観測不可能な物理現象を説明するために　それを数学的考察に変換した最初の人物であり
彼は最初の理論物理学者　現代の数理物理学の創始者

光学の分野では　1678年に光の波動理論wave theory of lightを提案し
1690年　光に関する論文treatise of Lightで説明　
これは光に関する最初の数学的理論
彼の理論はアイザック.ニュートンの光の粒子理論Newton’s corpuscular theory of lightを凌げなかった　が
1818年にオーギュスタン.ジャン.フレネルによる　ホイヘンス＝フレネルの原理　証明により　
光の波動論を主流に導く　

ホイヘンス＝フレネルの原理：
波動の伝播問題（遠方場の極限や近傍場の回折）を解析する手法
　前進波の波面の各点が二次波とよばれる新しい波の波源となり　全体としての前進波は
　全ての二次波を重ね合わせたものとなる　
　この波の伝播の考え方は回折のような様々な波動現象の理解を助ける

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光学の歴史History of optics　ルネサンスと近代初期Renaissance and Early Modern



ヨハネス・ケプラー Johannes Kepler (1571–1630) ドイツ　天文学.数学.占星術
17世紀の科学革命の主要人物　ケプラーの法則(1609.1619)と
その著書『新天文学Astronomia nova(1609)』 『宇宙の調和Harmonics Mundi(1619)』
『Epitome Astronomiae CopernicanaeEpitome of Copernican astronomy (1618-21)』 は
　ニュートンの万有引力の理論の基礎の1つ を提供している

1600年より　光学の法則に関する研究詳論を取り上げ始める
月食　日食は予期しない影のサイズ　全月食の赤い色　全日食を取り囲む異常な光など
　原因不明の現象について　そして
　すべての天文観測に関わる大気の屈折atmospheric refractionの問題　を考察

1603年のほとんどを通じ　ケプラーは光学理論に集中
Astronomiae Pars Optica/The Optical Part of Astronomy （1604Newyear）を書き上げ
皇帝ルドルフ2世Rudolf I へ献上

ケプラーは研究の成果　光の強度intensity of light 平面ミラーと曲面ミラーによる反射
ピンホールカメラpinhole cameraの原理 を決定づける 『逆二乗法則inverse-square law』
　更に　視差parallax 天体の見かけのサイズなど 光学の天文学的な意味について説明

この論文は　現代の光学系の基礎として認識されている


彼はまた　人間の眼にも関心を寄せた
　神経科学者には　眼の視交叉について最初に認識したのは　ケプラーであると考えられている
しかし　それは光学とは関係がなかった為　ケプラーには重要でなく　結果
　反転画像は「魂の活動」により　「脳のくぼみ」で修正される　と示唆してている

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