「光とは一体どういうものなのか？」という一見単純な問題は、長年にわたり多くの物理学者の頭を悩ませてきました。
17世紀〜19世紀にかけて、この問題が議論されていた頃、光の正体に関して、２つの説が提唱されていました。
１つは「光とは、さまざまな色の粒子の集まりである」という考え方です。
これは、万有引力（重力）の法則を打ち立てたことで知られるニュートンも支持した説であり、17世紀にはこの「光＝粒子説」が広く信じられていました。
そして、もう１つの主張が「光＝波動説」です。
これは、17世紀ごろにはあまり支持されていなかった説ですが、18世紀から19世紀にかけて一気に日の目を浴びるようになります。
そのきっかけとなったのが、イギリスの物理学者トマス・ヤングが行った二重スリット実験です。
今回は、このヤングの二重スリット実験の概要と、そこから得られた「光を波として考えなければ説明できない」ことを示す科学的証拠を紹介します。
まず、「スリット」とは細いすき間のことで、「二重スリット」とは、ごく近い位置に平行に２本並んだ細いすき間を用意したものを指します。
「二重スリットに光を当てると、どんなことが起こるのか？」を調べたのが、ヤングの二重スリット実験です。
ヤングは、二重スリットの先にスクリーンを設置し、そこに映る光の像を調べました。
仮に「光とは、粒子の集まりである」と考えると、スクリーンには、どのような像ができるでしょうか？
光が粒子であるときには、最初のスリットを通った光の粒子は、そのまま直進すると考えられます。
そして二重スリットに到達したとき、それぞれの粒子は２つのスリットのどちらか一方を通り抜けます。
したがって、「光＝粒子」と考えると、スクリーンには、２本の帯状の明るい領域が映し出されると予想されます。
しかし、実際にスクリーンに映し出されたのは、明るい部分と暗い部分が交互に並んだ光の縞模様でした。
スクリーンに縞模様が映し出されたという事実は、光が最初のスリットを通過した後、そのまま（細い束のまま）直進するのではなく、波のように広がっていることを示しています。
さらに二重スリットを通過した２つの光の波が、ある場所では強め合い、別の場所では打ち消し合うことで、明るい部分と暗い部分が交互に並ぶ干渉縞が生じます。
これらは「光が波として振る舞っている」という強力な証拠だと考えられます。
この実験を契機に、「光の粒子説」が主力だった頃から一変して、「光の波動説」が信じられるようになっていきました。
しかし、この「光の波動説」もすべての現象を説明できるわけではありませんでした。
「ヤングの実験で、光は波動と考えられるという証拠が出たのなら、光は波動なのか」と思うかもしれませんが、実は、そうとも言い切れない事情がありました。
そもそも、「光は波である」と言うときの「波」とは、そもそも何を指しているのでしょうか？
私たちが「波動」と呼ぶものが何なのかを考えると、この「光＝波動説」の問題点が浮かび上がってきます。
そこでまず、「波動」とは何かを整理してみましょう。
例えば、池に石を投げ入れると、水面が揺らいで波が広がっていきます。また、ゴムひもを強く引っ張って離すと、ひもの中を波が伝わっていきます。
さらに、バイオリンの弦を弾くと、弦が振動して音が出ます。音もまた波の一種なので、弦の振動が空気中に波として伝わっていると考えられます。
このように「波」は様々な場面で生み出すことができますが、これらには１つの共通点があります。
それは「波を伝える媒体が存在する」ということです。
水面が揺らいで波ができているときは「池の水」が、ゴムを引っ張って離したあとに波ができているときは「ゴム」が、音が鳴っているときは「空気」が振動しています。
つまり、水面の波は池の水を、ひもの波はゴムを、音波は空気を媒体として伝わっているのです。
したがって「光＝波動」と考えるなら「光を伝える媒体は何なのか？」を解明する必要が出てきます。
「光＝波動説」を唱えた物理学者らは、その媒体を「エーテル」と名付けました。
「エーテル」自体を直接観測することはできなかったものの、「エーテルと呼ばれる謎の媒質がこの世界を満たしていて、光とは、そのエーテルが振動することで生じる波である」と考えられていたのです。
以上のようにして、17世紀ごろに主流であった「光とは、さまざまな色の粒子の集まりである」というニュートン流の粒子説は、ヤングらの干渉実験やその後の研究によって説得力を失い、「光とはエーテルと呼ばれる媒質を通して伝わる波動である」という考え方が、19世紀には物理学の主流となっていきました。
そして、19世紀から20世紀の転換期を迎えるころには、「あとは、このエーテルという謎の媒質が本当に存在するのか、どのような性質を持つのかを実験で確かめたい」という段階にまで議論が進んでいました。
そんな中、この「光の正体を探ろう」という物理学者たちの間に、激震が走りました。
この界隈に激震を走らせたのは、「相対性理論」で有名な物理学者アルベルト・アインシュタインです。
当時は、多くの物理学者が「光はエーテルを介して伝わる波である」と考えていました。
しかし、光電効果の実験（レナードらによる）を理論的に説明する上で、アインシュタインはこの常識に疑問を投げかけました。
彼は、光電効果を説明する理論を構築する中で、光は連続した波としてだけではなく、エネルギーの粒（光量子）としても振る舞うと考えるべきだと提案したのです。
このようにして、光は波としての性質と粒としての性質の両方を示す、不思議な存在であることが明らかになりつつありました。
光電効果の実験の内容と、そこからアインシュタインが導いた「光の新しい見方」については、次回の記事で詳しく紹介します。
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