光についての論文

光についての論文

著者	クリスティアーン・ホイヘンス
言語	フランス語
ジャンル	光学
公開済み	1690

『光論 : 反射と屈折で起こる原因を説明する』（フランス語: Traité de la Lumière: Où sont expliquées les causes de ce qui luy arrive dans la reflexion & dans la refraction ）は、オランダの博学者 クリスティアーン・ホイヘンスが執筆し、1690年にフランス語で出版された本である。この本は、ホイヘンスが置き換えようとしたデカルトの『屈折論』で示された幾何光学の法則を説明することを可能にする、光の伝播の性質に関するホイヘンスの概念について述べている。 ^[1]

ニュートンの『光学』で発表された粒子理論とは異なり、^{[2]ホイヘンスは光を}音波と同様にエーテル中を非常に大きいが有限の速度で進む不規則な衝撃波の連続として考えた。さらに彼は、波面の各点自体が二次球面波の起源であると提唱した。これは今日ホイヘンス・フレネルの原理として知られている原理である。^{[3]この本は}理論物理学と数理物理学の先駆的な著作であり、観測不可能な物理現象を初めて機械論的に説明したと考えられている。^{[4] [5]}

ホイヘンスは、1652年に書き始めたが未発表のままで、レンズ研磨の仕事に先立つ著書『屈折法』で光線の数学と屈折の性質について研究した。1672年、アイスランド水晶の奇妙な屈折の問題により、ホイヘンスが解決したいと考えていた屈折の物理学に関する謎が生まれた。^[6]ホイヘンスは最終的に1677年に楕円波を用いてこの問題を解決し、1679年の臨界反応の後に主に実験で理論を確認した。^[7]

複屈折に関する彼の説明は、3つの仮説に基づいていた。(1) 結晶の中には光波が進む2つの媒体がある、(2) 一方の媒体は通常のエーテルとして振る舞い、通常屈折した光線を運ぶ、(3) もう一方の媒体の波の速度は方向に依存し、そのため波は球形ではなく回転楕円体として広がる。この2番目の異常な媒体は異常屈折した光線を運ぶ。結晶の対称性を研究することで、ホイヘンスは楕円体の軸の方向を決定し、異常光線の屈折特性から軸の比率を確立した。彼は結晶の自然な側面以外の平面部分での光線の屈折を計算し、最終的に実験的に多くの結果を検証した。^{[3] [8]}

ホイヘンスは、この結果を『屈折光学』の一部として出版するつもりだったが、最後の瞬間に光の理論を他の研究から切り離すことを決定し、幾何光学から物理光学への移行を示した。^[9]それから1世紀以上経って、エティエンヌ・マルスらがホイヘンスの光線と波面の考えを再構築するのに15年を要した。^[10]

最初の章で、ホイヘンスは光を、彼がエーテルと呼ぶ未知の性質の物質媒体内を移動する乱れとして説明しており、これは音を伝播するものとは異なる。このエーテル物質は、彼が 1669 年に発見した法則に従って衝突する弾性物質粒子から構成されている。

ホイヘンスは、物質の構造は原子であり、粒子の集合体から成り、「連続した固体を構成せずに互いに接触している」と考えています。^[11]したがって、光波は、粒子が移動することなく、1つの粒子から別の粒子に移動できます。伝播の問題を検討する別の方法は、光を透過するのは透明媒体の粒子ではなく、固体または液体の隙間（光はトリチェリの気圧計の上部を通過するため、真空でさえも）に浸透するエーテル物質の粒子であると考えることです。^[11]最後に、ホイヘンスは、最初の2つを組み合わせた3番目のタイプの光伝播を検討します。

第 1 章で議論されているもう 1 つの概念は光の速度です。ホイヘンスは、ここでピエール・ド・フェルマーの時間概念を最初に取り上げています。彼は、光波を生成する「振動」は、たとえ非常に高速であっても、必然的に有限の速度で移動すると考えています。この点は、その実証がさまざまな経路での移動時間の等価性に基づいているため、非常に重要です。^{[6] [7]ホイヘンスは、1677 年の}Ole Christensen Rømerの手紙について報告しています。この手紙では、光の速度は音速の少なくとも 100,000 倍、おそらく 6 倍速いと言われています。後者の場合、Rømer によって発見された速度 (214,000 km/s ) は、今日認められている光の速度と同じ桁でした。^[5]

伝播媒体と光速度に関する発言に続いて、ホイヘンスは波面の幾何学的図解を与え、これがホイヘンスの原理として知られるようになった基礎となった。彼の伝播原理は、一点から発せられる光の波（またはパルス）がどのようにしてより小さな波紋を生み出すかを示すものである。^[12]

...これらの波のそれぞれは、[波の起源]から最も遠い表面部分によって他のすべての波が構成する[主要な波]と比較した場合のみ、無限に弱い可能性があります。

これは、エーテル内の各粒子が新しい波面の源であり、これらの「二次波」はホイヘンスによって「弱い」と特徴付けられているものの、各波上の点が集まって光として見える一次波を形成することを意味します。^[12]したがって、新しい波面は、伝播方向におけるすべての二次波の接線面です。^[13]

ホイヘンスの分析にとって重要なのは、これらの二次波が数学的に構築可能であり、二次波から逆算して、一定時間移動した一次波を構築できることである。これはホイヘンスの光理論全体の基盤となる原理であり、彼の理論を先人たちの理論と区別するものである。^[10]

第2章では反射について簡単に説明し、第3章と第4章では屈折について探究しています。ホイヘンスは透明媒体と不透明媒体の違いを粒子組成の観点から注意深く説明しており、特に大気の屈折について探究しています。^[12]

第5章では、アイスランド水晶の奇妙な屈折について取り上げています。ホイヘンスは、水晶の一部を切り取り、その内部での光伝播の形状を研究した後、一連の段階的な経験的調査を通して読者を導きます。奇妙な屈折に関する彼の説明は、常光線と異常光線の特性に基づいています。常光線は、一定の屈折率により球状の波面を持ち、これは水晶内部の伝播方向には依存せず、すべての方向で同じ速度を持ちます。一方、異常光線は、屈折率 により楕円形の波面を持ち、これは水晶内部の伝播方向によって変化し、異なる方向に異なる速度をもたらします。^[14]したがって、光が水晶を通過すると、結晶内で異なる経路をたどる2つの波面に分割され、2つの屈折した光線が観察されます。

以下に述べる一連の段階的な調査は、奇妙な屈折に関するホイヘンスの説明を裏付けるためのものである。これは、レーマーの初期の反論に促されたもので、ホイヘンスの著作の中で、実験に関する詳細を述べた数少ない例の 1 つである。^[4]ホイヘンスは、これらの数学的および実験的リソースを使用して、印象的な結果を達成したが、そのうちのいくつかは 19 世紀初頭まで検証が困難であった。^[15]

この本の第6章は透明体における屈折と反射についての議論で締めくくられている。^[12]

ホイヘンスが『光論』で成し遂げた最大の功績は、直線伝播、反射、単屈折および複屈折の本質的な特徴のすべてを光波の伝播速度のみから導き出せることを証明したことだ。光線を物理的性質を欠いた幾何学的構成に還元することで、ホイヘンスは光の理論を運動学的に（したがって数学的に）扱うことができ、先人たちが失敗したところで成功することができた。^{[10] [16]}

ホイヘンスの分析の完全性は印象的であるが、彼は現在では偏光として認識されている効果を理解することができなかった。偏光は、屈折した光線が、方向を変えた2番目の結晶を通過するときに発生する。また、彼は色収差や色など、ニュートンが説明した多くの問題にも触れなかったが、望遠鏡を製作する際にはそれらを経験していた。^[3]

アントワーヌ・パレントとルネ・ジュスト・アユイを除けば、ホイヘンスの光論におけるアイデアは出版から1世紀後にはほとんど忘れ去られていた。これらのアイデアの多くは19世紀初頭にオーギュスタン＝ジャン・フレネルによって独自に展開され、後に『光の回折に関するメモ』（1818年）として出版された。フレネルはその後ホイヘンスの研究を知り、ホイヘンスの原理を応用して光の直線伝播と回折効果を完全に説明した（1821年）。この原理は現在ホイヘンス・フレネルの原理として知られている。^{[1] [5]}

• アイスランドのスパー
• 光伝導エーテル

• C.ホイヘンス、『Traité de la Lumière』、ライデン：Pieter van der Aa、1690年。 archive.org/details/bub_gb_kVxsaYdZaaoC
• C. ホイヘンス（シルバヌス・P・トンプソン訳）『光論』ロンドン：マクミラン、1912年; archive.org/details/treatiseonlight031310mbp（および正誤表）
• C. ホイヘンス（シルバヌス・P・トンプソン訳、1912年）、光論、プロジェクト・グーテンベルク、2005年、gutenberg.org/ebooks/14725（および正誤表）