相対論
エーテルが存在するという仮定と
光の速度の計測との矛盾を解決して見せたのが
フィッツジェラルド－ローレンツの変換式。
だけど悲しいことに
それを実験観測で証明することができない。
実証証明できないことを
取り扱うことができないのが物理学。
そこで物理学者は
困ってしまったわけだ。
だけどこのフィッツジェラルド－ローレンツの変換式
そのなかのローレンツ因子っていうのが
じつは特殊相対性理論の骨子に
なっていたっていうのは
おもしろいもんだね。
相対論と言ったら
なにをさておいても出てくるのが
アインシュタインさん。
何度も言うように文系のぼく
かれの論文なんて読んだことも無いし
ちゃんと勉強したことも無いけど
なぜか尊敬する人は？ って聞かれると
出てきてしまう人物。
だから、相対論っていうのは
アインシュタインさんが考えたって
思われているけど
じつのところ『特殊相対性理論』の
ほとんどはこの時点で
完成されていたといっても
いいらしんだよ。
いつものことでまた脱線するけど
アインシュタインさんは
当然ノーベル物理学賞を
受賞している。
でもその受賞対象は
相対論じゃないんだよね。
『光電効果』っていうので
ノーベル物理学賞を受賞してるんだ。
光電効果っていうのは
量子力学の時に書いていると思うけど
電子が光からエネルギーを受け取って
原子の外に飛び出しちゃうっていう現象。
それが光がただ単に波だってしちゃうと
これも実験結果がおかしくなっちゃうってことに
理屈づけしたもんだね。
光がただの波だったら
光電効果は実験の結果と
違うものになるはずなんだ。
電子を飛び出させるだけのエネルギーを
与えることだけを考えるのならば
時間をかければ光の波長に関係なく
できるはず。
でもそうならないってことは
光ってものは
エネルギーを持った粒子みたいなものって
考えると説明できるんじゃないかって考えたわけだ。
わかりにくいと思うけど
実験結果を説明するためには
光は波長に対応したエネルギーを持った
（波長が短いほどエネルギーが大きくなる）
粒子みたいなものだと仮定して
その粒子のようなものを
光量子と名付けたわけだ。
実験結果から光のエネルギーは
波長に反比例して
E＝hv (光のエネルギー)
（Ｅはエネルギー、ｖは振動数だよ）
っていう数式化できることも
導き出しちゃった。
『ｈ』ってのは
量子力学で出てくる
プランク定数なんだけど
覚えてないよね。
運動量
運動量って聞いたことがあるかな？
正確に言うと違うのかもしれないけど
単純に考えると
重さ×速さってこと。
質量×速度ってやつだね。
時速１００ｋｍで走る車にぶつかるのと
時速１０kｍの車にぶつかるのとでは
けがの度合いが違うし
時速１００ｋｍの蟻がぶつかってくるのと
時速１００ｋｍの象がぶつかってくるのとでも
けがの度合いが違うでしょ。
光電効果の実験で
アインシュタインさんが
光って粒の要素を持っているんじゃない？ って
考えを論文で発表してから
１８年ぐらい経ったころ
コンプトンさんが光電効果の拡張実験をやっちゃった。
コンプトンさんの実験は
前に書いたと思うから
結論だけ書くと
光にはどうやら運動量が
あるんじゃないかってことになったんだ。
光に運動量がある
これってじつは大変なことだったんだ。
運動量っていうのは
質量×速度。
では、波に質量っていうのはあるのか？
波は広がっていく速さはあるけど
なにかが移動していくっていう
移動速度っていうのは無いんじゃない？ ってね。
ようするに光に運動量があるっていうのは
光を粒子と考えなければ
説明がつかないってことなんだ。
波の運動量っていうものは
単純に定義できないらしい。
例えば音波は人の鼓膜を震わせるから
鼓膜に運動量を与えているじゃないなんて思えるけど
音波が波の物理量で数式化できるものじゃないらしい。
どうやら空気分子の流体力学って
またまたわからないものが
関係してくるらしいんだけどね。
だいたい波っていうのは空間に拡がっているもんで
特定の場所に存在しているってものじゃないんだから
波の運動量ってものは
そもそも無いって考えられているはずなんだ。
光は粒子？
コンプトンさん、実験結果から
光が電子に与える運動量を計算してしまった。
光が電子に与える運動量は
光の振動数を光速で割ったものに
『ｈ』を掛けたものだってね。
P=hν/c （光の運動量）
Ｐは運動量
ｈは例のプランク定数
νは振動数
ｃは光速
って式を出しちゃった。
それにアインシュタインさんが導き出した
E=hν （光のエネルギー）
Ｅはエネルギー
ｈはプランク定数
νは振動数
この二つを合わせると
P=E/c
Pは運動量
Eはエネルギー
ｃは光速
っていう数式が
出来上がったってことだ。
またまた困ったことになってしまった。
光は電磁波だってことは
実験・観測の結果認められている。
だから光という波は
なにを媒体として伝わっていくんだろう？ ってところから
エーテルが考えられたんだよね。
でも光って波だけじゃないよ
エネルギーや運動量を持った
粒子の性質も持っているんだよ。
ってことになったんだから
根本的に光に対する捉え方を
見直す必要が出て来た。
この時点ではアインシュタインさんも
光が粒子だとは言っていないから
間違えないでね。
あくまでも粒子のような性質を持った
『なにか（光量子）』だって言っているだけだから。
実験・観測の結果
光が波だってことはわかっている。
そして同じく実験・観測の結果
光が粒子のような性質を持っている
ってこともわかっちゃったんだ。
これが量子力学の引き金であり
この光ってものが
相対論の土台になっていくんだよね。
