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ストークス-19世紀の数理物理学(3) 光の波動理論,偏光の記述

投稿日時: 01/03 システム管理者

ストークスの光の波動理論の研究
ちょうどこの頃の科学の世界では、物理学の機械化や弾性理論の基礎とともに、光の波動説が生まれ、O.J.フレネルの「準固体エーテルは動く物体に部分的に付随する」という仮説が出て、エーテルの数学的な理論も登場してきました。このような展開の中で、ストークスは重要な役割を担い、特に光学の発展に大きく貢献しました。ストークスは生涯にわたって光の波動理論の支持者であり続け、適切な数学的装置を使用し、実験はニュートンとほぼ同じ条件で行われました。[訳注)ニュートンは光の粒子説でした]

 

 

 

上図は,ストークスシフトの概念図.これは、吸収スペクトルと放出蛍光スペクトルのずれを示しています.横軸は波長です.蛍光スペクトルは吸収スペクトルより波長が長い.

 

 

 

 

 

 

ストークス(彼の多くの同時代人と同様に)は光の収差、ニュートンリング、光の干渉と偏光、および媒質を通過する波動、スペクトルなど光学現象を研究しました。ストークスの波動理論への貢献は非常に大きい。彼の学生であるストレットは論文「波動光学理論」で、J.G.ストークスを(O. J.フレネルに次ぐ)引用数2位としました。 [ 4、p.206]

1852年、ストークスは電磁波の偏光ベクトルを表す量を提案しました。彼によって導入されたパラメータは、列ベクトルであり、光強度の次元を持つています。詳細なパラメータは、総強度、偏光度、および楕円偏光度を使って、インコヒーレント光や部分偏光を記述できます。

ストークスは、蛍石(フルオライト)の観察中に発見した発光も扱っています。同じ1852年に、ストークスは、フルオライトによって放出された光線は吸収された光線よりも屈折が少ないという結論に達しました(後にE.K.J. vonロンメルとS.I.バビロフによって一般化された)。蛍光の波長は励起光の波長より長い。ストークスにちなんで名付けられたこの規則は、蛍光(フォトルミネッセンス)の量子性を示すものだったのです。

1879年、ロンメルは、スペクトルの一部で放射周波数が励起光の周波数よりも高いことを発見しました。ストークスの法則と矛盾するスペクトルのそのような部分は、反ストークス線と呼ばれていました。ストークスは、ニュートンが提案したクロスプリズムの方法に続き、クロスフィルターの方法による発光の観測を導入し、発光を利用した近紫外領域の検出・研究方法を提案しました。

1905年、アインシュタインは彼の記事「光の出現と変換に関する発見的観点について」で次のように述べています [ 5、p.103]。光が量子で構成されている場合、ストークス規則からの逸脱は2つの理由で可能です。1つは、単位体積あたりの量子の数が多い場合(励起された光の量子は多くの励起された量子からエネルギーを受け取ることができます)。第二に、発光中に放出された量子のエネルギーが励起量子のエネルギーよりも大きい場合。

ストークスの時代には、発光に関する研究は偶然の性格を持つものでした。バビロフはその基礎研究に人生の30年を捧げました。ストークスの法則の限界を決定し、熱力学の第二法則の始まりとストークスの法則を関連付け、発光の絶対収量を定式化し、その種類を分類し、放射体の性質に関連づけたのは彼でした。そして1950年には「光の微細構造」にまとめている。その少し後にバビロフは、主にストークスのルールを含むいくつかの一般的な法則を発見したにもかかわらず、発光は物理学の人里離れた島のままであると書いた。アインシュタインがストークスの法則の意味を説明できたのは、1905年の量子論に基づいてのことです。1913年にはボーアの原子構造の量子論によって、発光の全分野、そのすべてのセクションの主要な特徴が明らかになりました[6, p.335, 338]。


エーテル理論のどれが正しいと考えられていますか?
ストークスは長寿だったので、エーテルのいくつかの理論の変遷を見ました-エーテルとは、その振動が可視光を含む電磁波として現れるような一種の万能媒体です。O. J.フレネル、O.L.コーシー、W.トムソン、H.A.ローレンツ、J.A.ポアンカレ、M.C.E. L. プランク、等がエーテルの解釈を提案しました。ストークスも関心がありました。

異なる科学者の考えにおけるエーテルは、均質性、圧縮性などの程度、および軌道上を移動するときに地球によって運び去られる程度が異なっていました。エーテルの特性についての理解に応じて、科学者はマクスウェルの方程式をさまざまな方法で解釈しました。ご存知のように、ストークスとトムソンはそれを抑制して扱いました。エーテルの否定は、アインシュタインによる相対性の理論の後です。

特に、フレネルはエーテルが非圧縮性であるという仮説を提唱しましたが、それは物質中を透過するのが困難である横方向のせん断を可能にします。ストークスは、樹脂のように、エーテルは急速な変形の間は剛体のように振る舞い、惑星が動くときはプラスチックのように振る舞うという事実によってこの困難を説明しました。1839年、コーシーは収縮するエーテルの理論を作りこのモデルを改善、これは後にトムソンによって洗練されました。

1845年に収差の理論(ある基準座標系から別の基準座標系に移るときの光の伝播方向の変化)を作りました。ストークスは、地球が移動するときに周囲のエーテルも運び去ると仮定して、その結果、地球表面のエーテルの速度は惑星の速度に等しくなります。科学者は、いっしょに運ばれるエーテルの動きが、惑星を取り巻く空間とそれが静止している領域の両方で渦なしの特徴を持っていることを認めました。ストークスによれば、エーテルは硬くも柔らかくもあり、通常は液体媒体のような振る舞いをします。

 

 

 

銀河のエーテル風の流れによる地球表面の流れの架空図(左)(1- エーテル圧力が上昇したゾーン; 2- エーテル圧力が低いゾーン; 3- 海からの水分捕捉のゾーン; 4- エーテルのトロイダル渦が冬に大気を捕捉する)、および、科学者が自然界にエーテルを探せなかったことの風刺画。

 

ストークスは、収差効果について次のような説明を提案しました。地球の表面から一定の距離になると、エーテルの巻き込み部分とエーテル全体の速度差が現れるはずで、この差により、光学素子に当たる光波の前面が回転してしまう。これが収差を惹き起こします。ストークスは、エーテルの運動が渦なしの速度ポテンシャルの形であることを証明する計算で説明を補足しました。その後、プランクはストークスの理論を肯定的に捉え、それを救おうとしたが、役に立たちませんでした。

ストークスは、エーテルの巻込み程度が、その密度の違いだけに依存するのではないことも指摘しました。エーテルは物質の中に入ると圧縮され、離れると希薄化して物質の粒子に引き寄せられることが予想されます。弾力性のあるエーテル論は、非常に長い間、科学界に根付いていました。実際、ストークスをはじめとする当時の著名な物理学者たちは皆、その性質や本質を一般的に解明することに取り組んでいました。

1846年、ストークスは次のように書いています:我々は、よほどの理由がないと、エーテルが地球の固体質量の中を完全に妨げられずに移動するのを信じることができません。しかし、それを正しいと考える理論をチェックする決定的実験は非常に有用であろう[7, p.235]。1881年、A.A.マイケルソンは、J.G.ストークスが仮定したように、エーテル風が地球によって運び去られることを実験で確立したように見えた。しかし、エーテル否定の結論はまじかに迫っていました。

ストーク自身も、エーテルの概念に固執した彼の同僚も、その本格的な理論を作ることができません。I.フィゾーの発言によると、1851年に提示されたエーテル仮説の中には多かれ少なかれ可能性はあるが、どれも証明されたとは考えられません[6, c.214]。10年後のストークスは、仮説の長所と短所について議論を続けたが、彼自身はこれが成功するとは期待していませんでした。

ストークの死後、1905年には、アインシュタインは、相対性理論と光速不変を提唱しました。その結論によると、これらの前提条件は単純で矛盾のない移動体の電磁気学を構築できる。光を運ぶエーテル」の導入は、余計なものに見えます[7, с. 8]。この瞬間から、ストークスの理論だけでなくエーテルに関する数多くの理論がその価値を失うことになりました。


■今回の節では,ストークスの研究のうち,光の波動論とエーテル仮定を扱います.前者は成功しましたが,後者は無意味でした.

偏光状態を表示するストークス・パラメータ,反ストークス線については,
訳者が別稿で解説する予定です.