ヤングの干渉実験

ヤングの干渉実験は、19世紀初頭にトーマス・ヤングが光の波動説を実証するために記述または実行した多数の光学実験のいずれかである。これらの実験は光の波動説の受容に大きな役割を果たした。^{[ 1 ]}そのような実験の1つは、現代の二重スリット実験の原型であった。

背景

17世紀後半には、光の性質に関する2つの仮説が議論された。^{[ 2 ]}ロバート・フックとクリスティアーン・ホイヘンスは波動説を提唱したが、光に関する多くの実験的研究を行ったアイザック・ニュートンは、光は発光体から微粒子の形で放出されるとする粒子説を提唱した。18世紀末までに、ニュートンは卓越した物理学者としての名声を確立し、放出説が圧倒的に優勢となった。波動説を支持した著名なレオンハルト・オイラーでさえ、その議論を促すことはできなかった。^{[ 2 ]}^{: xxiii}^{[ 3 ]}^{: 13}

ヤングの波動理論に関する研究

1790年代にゲッティンゲンで医学を学んでいたヤングは、人間の声に関する論文を執筆した。^{[ 4 ]}イギリスで医師として働くには、イギリスの大学で3年間学ぶ必要があった。^{[ 5 ]}^{: 55}彼はケンブリッジでのその期間を利用して、音の物理的および数学的性質の研究に取り組んだ。その研究は、音波の重ね合わせ、つまり2つの独立した波が組み合わさる方法と、干渉、つまり組み合わさった結果について扱っていた。重ね合わせは、2つの音波が互いにすり抜けることができることが知られていたため、ヤング以前にも理解されていた。干渉は、2つの波の周波数が組み合わさった結果に影響を与えるため、あまりよく理解されていなかった。^{[ 3 ]}^{: 27}

1800年、彼は（1799年に執筆した）論文を王立協会に提出し、光もまた波動運動であると主張した。彼の考えはニュートンの粒子説と矛盾していたため、ある程度の懐疑的な見方で迎えられた。しかし、彼は自らの考えを発展させ続けた。彼は、光の伝播の多くの側面を粒子説よりも波動モデルの方がはるかに良く説明できると信じていた。

非常に広範な現象群が、さらに直接的に同じ結論へと導いてくれます。それらは主に透明な板や回折、屈折によって生じる色彩生成から成り立っていますが、放射の仮定に基づいて、最も率直な投射説支持者でさえ満足させるほど詳細かつ包括的な方法で説明された現象は一つもありません。一方、それらはすべて、二重光の干渉効果からすぐに理解できます。これは、不完全なユニゾンを形成する2本の弦が一緒に振動しているのを聞いたときに、音の中でうなりを感じるのとほぼ同じようなものです。^{[ 6 ]}

ヤングは1800年、1801年、1803年に王立協会ベーカリアン賞講演を行った。 ^{[ 8 ]} 1801年の講演「光と色の理論について」では、様々な干渉現象について述べ、1802年に出版された。^{[ 9 ]}これらの講演で、ヤングはリップルタンクを用いて機械的な水波の干渉を実演した。リップルタンクは、ガラス水槽の底をろうそくで照らし、その上に45度の鏡を設置したものである。^{[ 5 ]}^{: 108}彼の出版された講演には、同じ周波数の2つの機械波源からの干渉パターンのスケッチが含まれていた。^{[ 3 ]}^{: 55}

ヤングが「干渉の一般法則」と呼んだものの最初の出版物は、1802年1月に彼の著書『自然哲学と実験哲学に関する講義のシラバス』に掲載された。

しかし、これらすべての現象を支配する一般的な法則は、不完全なユニゾンのビートにおいて2つの音符が交互に強弱を生み出すのと同様に、互いに協力したり打ち消し合ったりする2つの同時発生的な波動の干渉から非常に容易に推論できる。^{[ 10 ]}

ヤングのベーカー講義の最初のものは1802年の春に出版された。^{[ 11 ]}

二重スリット実験との関連性

1803年、ヤングは2つのスリットを用いた実験について記述した。現代では、この実験は光の波動説の重要な古典的証明とみなされている。しかし、ヤングが実際に行った実験と、彼が思考実験として記述した実験は明確に区別されていない。^{[ 3 ]}^{： 118}^{[ 7 ]}^{： 20}

ヤングの実験の最初のバージョンでは、小さな穴を通して太陽光を反射させ（ステアリングミラーを使用）、紙カードを使用して細い光線を半分に分割します。^{[ 5 ]}^{： 122}^{[ 12 ]}^{[ 13 ]}

彼は実験の説明の中で、光を2つのスリットに通す可能性についても言及している。

ある特定の色の光が、ある一定の幅または一定の周波数の波動から構成されていると仮定すると、これらの波動は、すでに水の波や音のパルスの場合に調べたような影響を受けるはずです。互いに近い中心から発する 2 つの等しい波列は、ある点では互いの効果を打ち消し、別の点ではそれを倍増させることが示されており、2 つの音のうなりは、同様の干渉によって説明されています。今度は、同じ原理を色の交互の結合と消滅に適用します。このように 2 つの光の部分の効果を組み合わせるためには、それらが同じ起源から発生し、互いにあまりずれない方向で異なる経路で同じ点に到達することが必要です。このずれは、回折、反射、屈折、またはこれらの効果の組み合わせによって、一方または両方の部分で発生する可能性があります。しかし、最も単純なケースは、均質な光線が、2つの非常に小さな穴またはスリットがあるスクリーンに照射される場合である。これらの穴またはスリットは、光があらゆる方向に回折する発散中心とみなすことができる。この場合、新たに形成された2つの光線が、それらを遮るように配置された表面で受光されると、その光は暗い縞模様によってほぼ等しい部分に分割されるが、表面が開口部から遠ざかるにつれて幅が広くなり、あらゆる距離で開口部からほぼ等しい角度をなすようになる。また、開口部同士が近づくにつれて、同じ割合で幅が広くなる。 2つの部分の中央は常に明るく、両側の明るい縞は、一方の開口部から来る光が、もう一方の開口部から来る光よりも長い空間を通過するような間隔で配置されており、その間隔は想定される1つ、2つ、3つ、またはそれ以上の波状構造の幅に等しく、その間の暗い空間は想定される波状構造の半分、1つ半、2つ半、またはそれ以上の差に対応している。^{[ 6 ]}

批判

1803年から1804年にかけて、ヤングの理論に対する一連の匿名の攻撃がエジンバラ・レビューに掲載された。匿名の著者（後にエジンバラ・レビューの創設者であるヘンリー・ブルームであることが判明）は、ヤングの王立研究所での講演録の出版を約束していた出版社が契約を破棄するほど、読者の間でヤングの信頼性を低下させることに成功した。この事件により、ヤングは物理学よりも医学の実践に重点を置くようになった。^[⁵^]

光の波動説の受容

1817年、シメオン・ドニ・ポアソンを含むフランス科学アカデミーの粒子理論家たちは、翌年のノーベル賞のテーマを回折に設定し、粒子理論家が受賞すると確信していた。^[¹⁴^]オーギュスタン＝ジャン・フレネルは波動理論に基づく論文を提出し、その内容はホイヘンスの原理とヤングの干渉原理の統合であった。^[²^]光の粒子理論の支持者であったポアソンは、フレネルの理論を詳細に研究し、その誤りを証明する方法を探した。ポアソンは、フレネルの理論の結果として、点光源を遮る円形の障害物の影に、光軸上の明るいスポットが存在することになるが、光の粒子理論によればそこには完全な暗闇があるはずだと主張したとき、欠陥を発見したと考えた。フレネルの理論は真実であるはずがない、この結果は確かに不合理だとポアソンは断言した。しかし、委員会の委員長であるドミニク＝フランソワ＝ジャン・アラゴは、実験を行う必要があると考えました。彼は2mmの金属円盤をワックスでガラス板に成形し^[¹⁵^]、予測されたスポットを観察しました。これにより、ほとんどの科学者が光の波動性を確信しました。最終的に、フレネルが競争に勝ちました。アラゴは後に、この現象（アラゴスポットと呼ばれることもあります）はすでにジョゼフ＝ニコラ・デリスルによって観察されていたことを指摘しました^[¹^]。

参考文献

脚注

引用文献

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批判

光の波動説の受容

関連項目

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そのような実験の1つは、現代の二重スリット実験

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