光の波動説
光の波動説（wave theory of light）とは、光という現象を、空間中に想定される特定の媒質を伝わる波動として捉える物理学上の仮説です。
この理論は、17世紀後半にオランダの物理学者クリスティアーン・ホイヘンスによって提唱されました。彼は1690年に出版された著書『光についての論考』の中で、光の回折といった現象を波の性質を用いて説明し、その基礎となる「ホイヘンスの原理」を確立しました。波動が伝播するためには何らかの媒質が必要であると考えたホイヘンスは、宇宙全体を満たす目に見えない物質「エーテル」の存在を仮定しました。
しかし、ホイヘンスと同時代に活躍したアイザック・ニュートンは、光を非常に小さな粒子の流れと見なす「光の粒子説」を唱えました。当時の実験結果の中には粒子説の方が説明しやすいものもあり、権威あるニュートンの影響力もあって、粒子説がしばらく優勢な時期が続きました。これにより、光の本質を巡る波動説と粒子説の対立が長年にわたって続くことになります。
18世紀に入ると、ジャコーモ・フィリッポ・マラルディによって、波動説でなければ説明が難しい現象が発見されました。これは後に19世紀初頭にフランソワ・アラゴによって追試され、「アラゴスポット」（またはポアソン光点）として知られるようになり、波動説を支持する証拠の一つとなりました。
19世紀に入ると、波動説を決定的に有利にする発見や実験が相次ぎました。まず、1805年頃にトーマス・ヤングが行った光の干渉に関する有名な実験は、光が波であることを強く示唆するものでした。続いてオーギュスタン・ジャン・フレネルは、ホイヘンスの原理を発展させ、光が波の進行方向に対して垂直に振動する「横波」であること、そして偏光現象も波動説で説明できることを明らかにしました。
さらに、ジャン・ベルナール・レオン・フーコーが1850年に、アルマン・フィゾーが1851年にそれぞれ独立に行った実験により、水中での光の速さが空気中よりも遅いことが実証されました。これは、粒子説が予測する結果（水中の方が速い）とは逆であり、波動説が予測する結果と一致したため、波動説の正当性が揺るぎないものとなりました。
光と電磁気との関係も波動説を後押ししました。1845年にはマイケル・ファラデーが磁場が光の偏光面に影響を与えるファラデー効果を発見し、光が電磁場の影響を受けることを示しました。そして1865年、ジェームズ・クラーク・マクスウェルは電磁気学の基本法則を整理統合した「マクスウェル方程式」を発表しました。この方程式から導かれる電磁波の速度が、真空中の光速とほぼ一致することが判明したのです。これは、光が電磁波の一種である可能性を強く示唆しました。
1888年にはハインリヒ・ヘルツが実際に電磁波を発生させ、その電磁波が光と同様に反射、屈折、干渉、偏光といった波動としての性質を示すことを実験で確認しました。これらの発見と実験により、光は電磁波であり、その本質は波動であるという見方は物理学界で確固たるものとなりました。
しかし、光を電磁波としての波動と見なす理論にも、二つの大きな謎が残されていました。一つは、その電磁波を伝える媒質である「エーテル」は本当に存在するのか、という問題。もう一つは、マクスウェル方程式が示す「真空中の光速は一定である」という性質が、互いに異なる速度で運動する観測者から見ても成り立つのか、すなわち光速の相対性に関する問題です。これらの疑問は、20世紀初頭にアルベルト・アインシュタインが登場するまで、様々な議論の的となりました。
エーテルの実在を証明しようとする試みとして、1887年にはアルバート・マイケルソンとエドワード・モーリーによって有名な実験が行われましたが、エーテルの存在を示すはずの「エーテルの風」を検出することはできませんでした。この実験結果は当時の物理学者たちを大いに困惑させました。
この問題に決定的な解決をもたらしたのが、1905年にアインシュタインが発表した特殊相対性理論です。アインシュタインは、光速がいかなる慣性系（等速直線運動をする観測者）から見ても不変であるという原理を提唱し、これにより、光の伝播のために特別な媒質であるエーテルを考える必要がなくなったのです。
一方で、同じアインシュタインは同時期に、光電効果などの現象を説明するために、光がエネルギーの粒、すなわち「光量子」（後に光子と呼ばれる）として振る舞うという「光量子仮説」を提唱しました。これは、一度は歴史の表舞台から姿を消したかに見えた粒子説的な側面を復活させるものでした。
その後の量子力学の発展を通じて、光を含むミクロな粒子は、観測される状況に応じて波としても粒子としても振る舞う「粒子と波動の二重性」を持つことが明らかになりました。現代物理学においては、光は特定の媒質を必要とする古典的な波動としてではなく、電磁場という「場」の量子として理解されています。
この理論は、17世紀後半にオランダの物理学者クリスティアーン・ホイヘンスによって提唱されました。彼は1690年に出版された著書『光についての論考』の中で、光の回折といった現象を波の性質を用いて説明し、その基礎となる「ホイヘンスの原理」を確立しました。波動が伝播するためには何らかの媒質が必要であると考えたホイヘンスは、宇宙全体を満たす目に見えない物質「エーテル」の存在を仮定しました。
しかし、ホイヘンスと同時代に活躍したアイザック・ニュートンは、光を非常に小さな粒子の流れと見なす「光の粒子説」を唱えました。当時の実験結果の中には粒子説の方が説明しやすいものもあり、権威あるニュートンの影響力もあって、粒子説がしばらく優勢な時期が続きました。これにより、光の本質を巡る波動説と粒子説の対立が長年にわたって続くことになります。
18世紀に入ると、ジャコーモ・フィリッポ・マラルディによって、波動説でなければ説明が難しい現象が発見されました。これは後に19世紀初頭にフランソワ・アラゴによって追試され、「アラゴスポット」（またはポアソン光点）として知られるようになり、波動説を支持する証拠の一つとなりました。
19世紀に入ると、波動説を決定的に有利にする発見や実験が相次ぎました。まず、1805年頃にトーマス・ヤングが行った光の干渉に関する有名な実験は、光が波であることを強く示唆するものでした。続いてオーギュスタン・ジャン・フレネルは、ホイヘンスの原理を発展させ、光が波の進行方向に対して垂直に振動する「横波」であること、そして偏光現象も波動説で説明できることを明らかにしました。
さらに、ジャン・ベルナール・レオン・フーコーが1850年に、アルマン・フィゾーが1851年にそれぞれ独立に行った実験により、水中での光の速さが空気中よりも遅いことが実証されました。これは、粒子説が予測する結果（水中の方が速い）とは逆であり、波動説が予測する結果と一致したため、波動説の正当性が揺るぎないものとなりました。
光と電磁気との関係も波動説を後押ししました。1845年にはマイケル・ファラデーが磁場が光の偏光面に影響を与えるファラデー効果を発見し、光が電磁場の影響を受けることを示しました。そして1865年、ジェームズ・クラーク・マクスウェルは電磁気学の基本法則を整理統合した「マクスウェル方程式」を発表しました。この方程式から導かれる電磁波の速度が、真空中の光速とほぼ一致することが判明したのです。これは、光が電磁波の一種である可能性を強く示唆しました。
1888年にはハインリヒ・ヘルツが実際に電磁波を発生させ、その電磁波が光と同様に反射、屈折、干渉、偏光といった波動としての性質を示すことを実験で確認しました。これらの発見と実験により、光は電磁波であり、その本質は波動であるという見方は物理学界で確固たるものとなりました。
しかし、光を電磁波としての波動と見なす理論にも、二つの大きな謎が残されていました。一つは、その電磁波を伝える媒質である「エーテル」は本当に存在するのか、という問題。もう一つは、マクスウェル方程式が示す「真空中の光速は一定である」という性質が、互いに異なる速度で運動する観測者から見ても成り立つのか、すなわち光速の相対性に関する問題です。これらの疑問は、20世紀初頭にアルベルト・アインシュタインが登場するまで、様々な議論の的となりました。
エーテルの実在を証明しようとする試みとして、1887年にはアルバート・マイケルソンとエドワード・モーリーによって有名な実験が行われましたが、エーテルの存在を示すはずの「エーテルの風」を検出することはできませんでした。この実験結果は当時の物理学者たちを大いに困惑させました。
この問題に決定的な解決をもたらしたのが、1905年にアインシュタインが発表した特殊相対性理論です。アインシュタインは、光速がいかなる慣性系（等速直線運動をする観測者）から見ても不変であるという原理を提唱し、これにより、光の伝播のために特別な媒質であるエーテルを考える必要がなくなったのです。
一方で、同じアインシュタインは同時期に、光電効果などの現象を説明するために、光がエネルギーの粒、すなわち「光量子」（後に光子と呼ばれる）として振る舞うという「光量子仮説」を提唱しました。これは、一度は歴史の表舞台から姿を消したかに見えた粒子説的な側面を復活させるものでした。
その後の量子力学の発展を通じて、光を含むミクロな粒子は、観測される状況に応じて波としても粒子としても振る舞う「粒子と波動の二重性」を持つことが明らかになりました。現代物理学においては、光は特定の媒質を必要とする古典的な波動としてではなく、電磁場という「場」の量子として理解されています。
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