粒子性と波動性
はじめに
粒子性をネットで調べても、「粒としてそこにある性質である」のような禅問答のような回答が多く、これでは言葉遊びしかなっていないと思いました。
「粒子性」と対峙する言葉に「波動性」があります。 この両者の違いについて、その性質を示し、明確にしないとご質問に応えることができないでしょう。
あくまで私見ですが、以下のように考察しました。
粒子性とは
(p1) 明確な境界がある。 空間的広がりが小さく、少なくともその境界が比較的はっきりしている。
(p2) 移動に関して、指向性を持つ。 等方性はない。
(p3) 部分が存在しない。常に、一つの粒子全体としての属性で語ることができる。
(p4) 加えて、素粒子と呼ばれるものは、(p3)の属性が同じなら、個々の粒が同じ性質を持つ。 離散的である。 最小単位がある。
(p5) 上記の性質から、相互作用に於ける物理的性質として、衝突があり、二体の衝突は、二体問題として解くことができる。 玉突きのような、弾性散乱、柔らかい球の衝突ような非弾性散乱がある。
(p6) エネルギーや運動量は、その速度の二乗あるいは速度に比例する。 (p5)の性質も加味すると、(光電効果など)明確な閾値のある反応が存在する。
(p7) スピン(自転)がある。
これに対して、
波動性とは
(w1) 明確な境界がない。 空間的広がりが大きい、境界があってもそれがどこであるか決め難い。
(w2) 移動に関して、指向性がある場合があるが、特に波源の近くでは等方性の波もある。
(w3) 部分が存在する。 あるいは、部分が存在するような挙動を示す。 同じ波であっても、属性値に分布があり、部分によって異なる。
(w4) 個々の波は、空間的にも時間的にも連続的な属性の違いを持つことができる。 最小単位がない。
(w5) 相互作用として干渉、回折がある。
(w6) 一般的に、エネルギーは振幅の二乗に比例する。 ※光のエネルギーは振幅ではなく、振動数に比例する。
(w7) スピンはない。 そのかわり、位相があり、群速度、位相速度がある。 位相反転して重ね合わせすれば、一瞬、消えたように見える。(干渉の性質)。 また縦波・横波があり、横波の場合は、波面の回転角がある。
共通の性質
取り敢えず思いついたのは以下のようなものです。
(c1)エネルギーや運動量を伝えることができる。
(c2)有限の速度を持つ。
以上のことから、たとえば「具体的にどのような事実が実験で観測されたらそのように見えるのか?」の問いに対しては、様々な実験を通して、上記に掲げた(p*)と(w*)の項目の比較で判定することになります。
光、電磁波に関して言うと
・コンプトン散乱は、まさに、(p4)、(p5)の性質を示し、その粒子性を示す良い実例です。
・さらに、光電効果は、(p6)の性質も示し、(w6)についても、エネルギーが振動数に比例するなど通常の波動とは異なる観点から、粒子性を示す実験として紹介されます。
しかし、光速度不変で、質量ゼロから(p6)の$${E=pc}$$ で、運動量$${p}$$が、
$$
p=\cfrac{νh}{c} = \cfrac{h}{λ}
$$
$$
ν:振動数、h:プランク定数、λ:波長
$$
と考えざるを得なくなります。
一方、光を光子として捉えるのではなく、電磁波として波のエネルギーを問うとき、(w6)の性質、振幅の二乗に比例すると扱いますので、注意が必要です。
・ヤングの干渉実験は、(w6)を示したもので、スリットを通過する時点では波として考えるしか理解できない結果を示しています。
・今は、直接的に、一つの光子を撮影できていますので、粒子性を否定できないと思いますが
産総研:光子一つが見える「光子顕微鏡」を世界で初めて開発
こう言うのもありますので
ところで、光の粒子性や電子の波動性に抵抗を示す人がいます。 自然や科学を素直に受け入れられない、二元論が好きな人たちにとっては、とっても気味が悪いのでしょう。 彼らはどちらか一つに決めないと気が済まないようです。
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