電磁波とは何？

Question

光について本を読んでいたら、光は電磁波だと書いていました。
光が波だというのは、納得できるのですが電磁波が媒質を必要としないというのは理解できません。
電磁波として宇宙空間（真空）を通ってくるのなら、その通ってくる光（電磁波）とは物質的になんなんですか？電子？でも電子も真空にはないですよね・・・・？
う～ん、さっぱりわかりません。、

apple-man · Accepted Answer

ご質問の内容の回答はまだ学校の授業でやるようなこと
ではないんで、No.1のようなご回答になるんです。
　
　多分はそれは哲学的内容だと答える人もいるでしょう。
（笑）

＞その電磁波（波）とは物質的には何なんですか？

　電磁波は今の物理学の考え方だと物質では
ないんです。質量がないので存在していないのも
同じです。敢えて古典物理学の範囲で言うなら
人間がエネルギーと呼んでいるもの、そのもの
の一種です。太陽から地球に熱が伝わって
来るのも、この電磁波の一種である赤外線が
人間が熱と呼んでいるエネルギーを運んで
来るからです。

　古典物理の考え方だと、電磁波は（何もない
空間）を伝わる・・・としか考えようが
ないのですが、ここがくせものです。

　すでにどこかで読まれたかもそれませんが、
１９世紀には、空間はエーテルと呼ばれる物質で
満たされていて、電磁波はこの振動だろうと
されたいたのですが、マイケルソンとモ－レーの
実験、そしてアインシュタインの相対性理論で
このエーテルの存在が否定されてしまったので、
結局、電磁波は何もない空間を伝わると言うしか
方法がなくなってしまったんです。

　２０世紀の初めころ、ポール・ディラックという学者が
相対性理論のエネルギーに関する式の部分を
解いていて、エネルギーにはプラスとマイナスの
状態があって、真空というのは丁度プラスとマイナスが
相殺されゼロになっているが、全くの無ではない
可能性があることを示唆したんですね。

　エネルギーとか物質というのは、海の波に
例えると波の振幅に当たる部分で、振幅の無い
状態を人間は空間と認識するが、波がなくても
海の水は存在するように、空間も無では
ないということなんですね。

　しかし、無ではないといっても、エーテルのような
物質は存在していない。ここで矛盾が生じて
います。

　★結論を言うと、電磁波は空間そのものの振動で
　　ある可能性があるんです。

　幾つかの理論（ツイスター理論、超弦理論・・・）が
その証明に近づいていますが、まだ完璧ではありません。

　超弦理論では、素粒子と呼ばれるようなミクロの
世界の物質の衝突について理論を作ったところ、
力だけを伝える質量ゼロの粒子というのが自然に出て
きたんです。その理論上の粒子についての性質を
検討したところ、重力を表すことが分かりました。

　重力も何もない空間を伝わるということになって
います。

　超弦理論では、物質の究極の姿はミクロな
振動する紐状のものだということで、この振動数の
違いを人間はときにそれを電子と呼んだり、陽子と
呼んでいるだけということで、その紐の状態に
よっては、質量を持つ物質だけではなく、力だけを
伝える重力という存在を表すのですが、それは
空間の性質そのものとも言えます。

　つまり何もないのが空間という、うつわで、
そこに存在しているのが物質という認識が
誤っている可能性があるんです。

　エネルギーの式を見る限り、空間には何かある
んです。無じゃない。ところがエーテルのように
人間が物質と呼ぶ性質のものがあると考えると
矛盾が生じるのです。

　超弦理論に従うなら、この世は全て高次元で
振動する超ひもで満たされていて、その振動
状態の違いを人間がときに物質と認識し、ときに
純粋な力、つまり空間と認識するということになりますが、
本質は人ヒモということで共通なんです。

　この考えだと、振動が人間に認識される
要因ですから
＞媒質がないのに波としての性質的行動が成り立つ

　のはあたり前。空間そのものの振動ですから
　波の性質を持っていて当然ということになります。

　まだまだ証明には遠い話ですが、相対性理論や
量子力学や素粒子理論といった古い物理学でも
すでにこれに近い内容を含んでいたのですが
はっきり理論的に認識されるようになったのは
超弦理論など、ここ３０年くらいの話で、それも
研究の途中です。

apple-man · Answer

>例えば先ほどの「宇宙は真空か？」という答えは、回答者様方はどう答えられるか・・・

 物理学で真空を場合分けして使っています。
高校レベルでいうと「トリチェリーの真空」というのが
あります。
　
　ガラスの管に水銀を入れて、逆さまにすると
水銀が少し下に落ちて、ガラス管の上のほうに
隙間ができる。水銀で満たされていた部分が
空間になって、空気などが入る口がないので、
トリチェリーと言う人はこれを真空と呼んだ
のですが、実際には水銀の蒸気などが入って
いて何もないわけじゃありません。

　機械工学科とか電気、電子工学科といった
理系の大学に入ると、１年の基礎実験といった
実習で、真空蒸着の実習、実験というのをやります。

　ポンプでケース内の空気を抜いて、
アルミや銅といった金属を高温で気化させて
別のところに付着させる。蒸着っていうんですが。
これが半導体なんかを作る基礎技術の１つなんです。

　このとき真空の度合いと、それを実現するための
装置の組み合わせについて学ぶのですが、
大気中では現在の技術で作れる真空は、人工衛星が
飛んでいる地上２００～３００ｋｍ程度のところの
真空です。

　1立方メートルあたり水素が数個程度存在するどころは
なく、まだ酸素や窒素の分子が多数飛びまわって
いますが、それでも地上でそれを実現するのは
難しいので、「超高真空」と呼んでいます。
地上で実現できる真空は、この超高真空から
低真空まで４段回に分けて考えられています。

　「真空のエネルギー」とか言う場合の真空は、
物理学的真空などとも表現されるもので、
水素分子なども完全に排除した状況を考えています。
　
　具体的には、原子と原子の間、電子と電子の間
などのことです。物質の究極の形が粒だと
すると、どう並べても隙間が空くでしょ。
高校の物理で、原子の並び方には、面心立法、
体心立法、六方最密があり、その充填密度が・・・
なんて話があって、物質の間には隙間があることが
示されています。物質の間の隙間ですから、ここには
物質は全く存在しないわけです。
　マサに真に空っぽの空間と考えられるのですが、
この解釈を巡って記録に残る限りだと１７世紀から
議論があって、それに対して先のポール・ディラックと
いう学者は、エネルギーゼロという基準がその空間には
存在しているが、マイナスのエネルギーというものあって、無の空間ではないという１つの答えをだした分けです。

shiara · Answer

まず、質問者の方の質問へ回答します。電磁波は光子という物質です。物質は粒子としての性質と波としての性質を持っていると考えられておりますが、電磁波と呼んでいるものは、光子という物質の波としての性質が全面に出てきているものです。したがって、媒体がなくても伝わります。
　次に、光子の質量について説明します。光子の質量はゼロであると言われておりますが、正しくはありません。正しくは、便宜上ゼロとしている、ということです。光子の質量は、本来定義できないものです。
　そもそも、質量がゼロの物質が本当にあるとしたら、そのような物質はわずかの力でも無限大の加速度で運動しなければなりませんが、そんな物質は存在しません。また、質量とエネルギーの等価性から、質量がゼロならエネルギーもゼロになってしまい、物質として存在しないことになります。
　質量とは、加速のされにくさを表す量ですが、光子のように一定の速度でしか運動しない物質には、加速度運動としう概念が適用できません。したがって、光子の質量を定義すること自体ができないのです。
　では、光子の質量を定義しないで問題ないのか、というと、これはまったく問題ありません。光子のエネルギーは振動数で与えられ、運動量は波長で与えられますから、光子が係わる運動を考えるときに、光子の質量は必要ありません。加速度運動もしませんので、質量は必要ありません。重力場での運動を考える場合でも、光子の質量は必要ありません。
　以上のように、光子の質量は定義できませんが、定義する必要もないのです。それではなぜ光子の質量はゼロであるとされているのかと言いますと、光子のエネルギー運動量ベクトルの内積を求めると、ゼロになるからです。普通の物質は、この内積は静止質量に相当します。そこで、光子の質量をゼロとした訳です。ですが、これで光子の質量がゼロだと考えてはいけません。光子は決して静止することはありませんから、光子の静止質量というのは、そもそも意味を持たないのです。

WWolf · Answer

質問に対しての回答にはならないのですが、皆さん難く堅く考えすぎではないでしょうか？
単純に「宇宙は真空か？」「質量のない物質は存在するか？」
今、人類が科学が分る範囲での、またこじつけ（理屈があわないから）又は仮定の上で成り立っているに過ぎないことを考え込んでも、また回答者の皆様方の知識は凄いと思いますが、客観的に見て質問者と回答者は平行線上にいてるように思われます。
例えば先ほどの「宇宙は真空か？」という答えは、回答者様方はどう答えられるか・・・
例えば私が「宇宙は真空ではない、大宇宙規模で見たら地球や月その他惑星がゴミであり、また地球には酸素、水素など存在するから」と答えれば、真空の定義とは・・・と反論されるでしょう。
よって、質問者の疑問、質問、に対して回答者様方の回答は的を得ていないと思えるのですが・・・（＾＾；
という私もヘンコなので回答者様方、気を悪くなさらないようお願い致します。

ＰＳ．
できれば、「宇宙は真空か？」を納得できるように説明してもらえればうれしいです（＾＾）
また、質問者さん、私の勝手な思いですが、その疑問や不思議やおかしいと思うことは新しい理論を生むかも知れません。頑張ってください（＾＾）

apple-man · Answer

>空間には「真空のエネルギー」のように、内在された生産性質があると思うのですが

　それがポール・ディラックの考え方から導き出された
ことです。

＞真空には「光」という外的刺激に対し反応して、特定の「瞬間発生、瞬間消滅」するエーテルみたいな反応発生し消えるエネルギーがあるのかもしれませんね。

　それが量子電磁気学で使われている考えです。
電子と電子がクーロン力で反発しあうとき、
片方の電子から光子が生成され、運動量を
持って、もう片方の電子に飛び、電子は
運動量だけ受け取って、光子は消滅して
いるように記述されているんです。
　これではエネルギー保存の法則が破られて
いるので、ここに出てくる光子は通常の光子では
なく、例外的だということで、仮に存在して
いる（そう考えると都合がいい）ということで
仮想光子と呼ばれています。


＞超弦理論に従うなら、この世は全て高次元で
振動する超ひもで満たされていて、その振動
状態の違いを人間がときに物質と認識し、ときに
純粋な力、つまり空間と認識するということになりますが

＞あわわわわわ（汗）それだと、ある意味何でもアリで卑怯拳みたいな・・・いや、何でもないです！

　高校まででやるような、いわゆるニュートン力学
では、物体の質量とか速度とか、物のほうしか
書いてないですよね。だから物理（物の動く理屈）
学というのだと思いますが。
　ニュートン以降、空間のほうを無視している
のはおかしいじゃないかということを言う人が
何人もいたんです。
　その影響を受けて、アインシュタインは
物質の影響で空間が歪むといったように、
空間のほうもダイナミックに運動していると
いう内容を盛り込んだ相対性理論を作った
わけです。ときにこの歪だけが伝わっていく
重力波というのもあり、それが物質に影響を与える
と言われていて、物質と空間が切り離しては
考えられない、対になっている関係であることは
この相対性理論ですでに出てきていることです。

　エネルギーは
E＝ｈν
で表されるように、振動で表現できる。
空間も振動していて、それが重力という
形で測定できる。ここまでは間違いないんです。

　物質は
E=ｍｃ＾２
の公式のように、エネルギーと結びついていて
物質も振動で表現できるんです。

　物質も空間も何かの振動だという事は
みなうすうす感じていたのですが、それが
何かは分からなかった。
　
　だから重力の存在を考えに入れないで、
ただ振動する超弦の相互作用を作っただけで、
そこから重力の性質が出てきたんで
みんな驚いて、これが究極の理論では？
ということで現在の大流行に繋がって
きているわけです。

1Yen · Answer

書き込んでからふと思ったのでもう一度...
> その電磁波（波）とは物質的には何なんですか？
 逆に質問です。音波って物質的に何ですか？(縦波ですが...)
 地震波って、物質的に何ですか？(縦波も横波もありますが...)

 波というのは媒質の中をエネルギーが伝わることです。
音波の場合、媒質が空気であったり水であったり木琴を叩けば
木だったりしますが、その媒質を振動させる事が波を起こす
ことであり、振動のエネルギーが伝わることが波です。

波は物質ではありません。

1Yen · Answer

ANo.2 の apple-manさんが完璧な答えを書いてくれていますので
つっこみを少々(^^;
jjjiiiooo さんの書かれた
> 光はエネルギーとしてとても速い振動で、そのため
> 「光の速度に近づくだけ物質の質量は０に近づく」
これは逆で、「光の速度に近づくにつれ質量は無限大に近づく」です。
質量が無限大に近づくから、どれだけ力を加えてもそれ(光)以上の速度にならないと。
で、最初から光速で動いている粒子は質量が無限大なので
それ以上、遅くも速くもならないらしい。
(その昔、「宇宙空間は電磁波を伝える性質を持つと定義すると
 横波の性質に矛盾しない」という回答例が書かれた本もを読んだことがあります)

sat000 · Answer

マックスウェル方程式から、電磁波の発生・伝播が予測されます。
イメージとしては電磁誘導であり、電場が変動することにより、変動する磁場が生じ、その変動する磁場によって変動する電場が生じ、という形で伝播が進行します。
マックスウェル方程式には、誘電率と透磁率が含まれており、これらの真空での値を用いると光速が導かれます。
このことから、光は電磁波の一種と考えられるようになりました。
干渉を起こすことからも光には波の性質があると言えます。
過去には、電磁波が波の一種であれば、媒体が必要ではないか、それは即ちエーテルであると考えた人達がいましたが、#2の方が述べているマイケルソン・モーリーの実験でエーテルの存在は否定されました。
彼らはむしろ一生懸命にエーテルの存在を証明しようとしたらしいのですが、そのため逆に徹底的にエーテルの存在を否定する実験結果となったようです。
エーテル説にとどめを刺したのが特殊相対論です。
その後は、電磁波はいわゆる媒体を必要とせず、空間そのものを伝播するとされるようになりました。

一方、光電効果などから、光には粒子的性質があることが明確にされ、それ以降光は特殊な存在で、電磁波的性質と粒子的性質を兼ね備えたものであると考えられるようになりました。
光電効果の説明は量子論が始まるきっかけになったとも言われています。
粒子的性質は、ある程度エネルギーが高くないと現れにくいため、ミリ波とかマイクロ波というような低周波の電磁波は多くの場合単純に波と考えて差し支えないのではないかと思います。
赤外、可視光、X線などになってくると、粒子的に取り扱った方が妥当な場合もあります。
光子という概念は光を粒子的に(量子論的に)取り扱う場合に登場します。
が、私は量子論に疎いので、あまり解説できません。

なお、電磁波は通常私たちが考えるような意味での物質ではありません。
エネルギーの一種です。
量子論で光子として粒子的に取り扱う場合には、質量は無く、運動量を持っている粒子として取り扱うようです。

もちろん電子とも違います。
電子には質量があります。
真空中というのが、宇宙空間と言う意味でしたら、恒星間空間でさえも、1立方メートルあたり水素が数個程度存在するとされています。
水素は分子ではなく、大部分がイオン化していると思われます。
イオンであれば電子を放出しており、放出された電子はどこかを漂っている(と言うよりもすっ飛んでいると言った方が正確かも)ので、電子も宇宙空間には存在します。
太陽系内であれば、太陽風がしょっちゅう吹いています。
太陽風はプラズマであるので、イオンと電子から構成されます。

なお、#2の方や#3の方が述べられているのは、なぜ空間は電磁波などを伝播する性質があるのか、その本質的な理由については現在研究途上ですよということを述べられています。
空間が電磁波などを伝播する性質があることが疑問であると述べられているわけではないので(むしろこの性質自体は前提とされていると思います)、誤解されないように。
#3の方へのお礼を読んで、誤解されているのではないかとちょっと気になったので。
特に#2の方は、場の量子論や宇宙論など高度な知識を背景に書かれていますので、質問者の方は「卑怯拳みたいな」などと安易に受け止めるのはあまりよろしくないかと思います。

参考URL：http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%A8%E3%83%BC%E3%83%86%E3%83%AB_(%E7%89%A9%E7%90%86)

moccha · Answer

電磁波は、次のように伝わります。

ある水平面で、電気の大きさに変化があった場合、その水平面に直角に交わる水平面に、磁力変化が生じます。
その磁力変化で、その磁力変化面に直角な水平面に電気の変化が生じ、それが...と連鎖的に伝わって行くのが電磁波です。

したがって、何らかの物質が移動するのではありません。

電磁力は真空中に伝わって働くことができます。電磁力のほかに、重力も真空中を伝わります。
なぜ、これらが真空中を伝わるかについては、現在明確な回答は出ていません。ただし、有力な理論候補はあります。

それらの説明は、もっと高度な数学や物理知識が必要となるので、ここでは、真空中でも伝わる力がある。
と覚えておいて、将来、研究対象とされるといいと思います。

o24hi · Answer

こんにちは。科学にお強い方でしたら、「そんなこと知ってるよ」ということも書くかもしれませんが、ご了承ください。

　さて、電流や磁気の方向や強さが変化すると、電界（電気のある場所のことです。静電気の周り、送電線・家電製品の周りなどに発生します。）と磁界（磁気のある場所のことです。磁石や地磁気（地球そのものが巨大な磁石です）のほか、送電線・家電製品の周りなどに発生します。）が互いに影響し、遠くに波のように伝わる現象が発生します。この波を電磁波といいます。
　電磁波は、波長（あるいは周波数）に応じてさまざまな種類があります。身近な電磁波の種類でいいますと、

・光（波長約0.01mm）
・温熱効果のある赤外線（波長約0.1mm）
・水分を暖める電子レンジ（波長約10cm）
・通信に使われる各種電波（波長1mm～100km）
　うち携帯電話（波長約10cm）
　テレビ放送（波長1～10m）
　ラジオ放送（波長約10m～1km）
・送電線や家電製品からの電磁波（波長5000km～6000km）

　おっしゃるように、光が波であるか粒子（光子）であるかは、古くから大きな論争が行われてきました。現在では、光は両方の性質を持っていることが定説になっています。
　真空の宇宙空間を通ってくるのは、この波の性質によるものです。

電磁波とは何？

ご質問の内容の回答はまだ学校の授業でやるようなこと

>例えば先ほどの「宇宙は真空か？」という答えは、回答者様方はどう答えられるか・・・

まず、質問者の方の質問へ回答します。

質問に対しての回答にはならないのですが、皆さん難く堅く考えすぎではないでしょうか？

>空間には「真空のエネルギー」のように、内在された生産性質があると思うのですが

書き込んでからふと思ったのでもう一度...

ANo.2 の apple-manさんが完璧な答えを書いてくれていますので

マックスウェル方程式から、電磁波の発生・伝播が予測されます。

電磁波は、次のように伝わります。

こんにちは。

この回答への補足

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　まず、質問者の方の質問へ回答します。

　こんにちは。