波の独立性と波の重ね合わせの原理

Question

反対側から来た２つの波がぶつかったらどうして波高が変わったりして、そのあとは独立して進むのですか？

cozycube1 · Accepted Answer

補足、承りました。#2です。

>どうして運動量や運動エネルギーがあればやがて再び現れてくるのですか？

そうした保存則は、簡単なようで、実は分かっていない部分も多々あります。

簡単なものでは、床の上を滑って進んでいる物体があるとします。これは運動エネルギーを持っています。摩擦がありますから、やがて止まります。力学的エネルギーは失われたわけです。

それが無くなっただけかというと、そうはなりません。滑って行くときに出した音のエネルギーに変わったり、摩擦で起こる熱のエネルギーに変わります。音のエネルギーも摩擦によって、やがては熱のエネルギーに変わります。

全てのエネルギーの種類を考えて、足し合わせるといつも一定です。そこまでは分かっていますが、それ以上はよく分かっていません。また、非常に小さな素粒子の世界では、ときどき一定でなくなったりします（少しの時間だけで、また一定に戻りはします）。

波に戻って、たとえば水面の波だとしましょう。半波長ずれた同じ形と大きさの波がぶつかると、一瞬だけ波が消えています。しかし、このとき水を小さく、たとえば分子で見れば、互いにぶつかり跳ね返りで、押し合いへし合いの状態です。

全体を眺めていると波が消失したようですが、波が元々はない静かな水面では大人しく動いていない水分子が、波の衝突で平らになっているときは、互いに暴れまわり、衝突しあうことで互いを拘束し、それらを平均すると平らという状態を保っているわけです。

波同士のお互いの影響が解かれると（つまり二つの波としてはさらに進むと）、その運動し続けている水分子が波を作る整然とした動きができるようになり、また波の形が現れてきます。

cozycube1 · Answer

現象がまず先にあることが大事です。波と波がぶつかったとき、強めあったり、逆に弱めたりして、また何事もなかったのかのように波が進んでいくことが、現前の事実としてあります。

物理学の枠割は、それについて起こる「どうしてなのか？」という問いに説明を与えることです。

その説明として、ニュートン力学があらゆる場合に成り立っているという経験則から、巨視的にも微視的にも見て、まず運動量保存則を満たすことは必須です。摩擦が発生していないなどの条件が成立していれば、力学エネルギー（運動エネルギーと考えて可）が保存します。

単純なケースで二つの同じ波がぶつかるとしましょうか。「『～』→←『～』」のようなイメージです。強めあうときは分かりやすいですから、半波長ずれているとしましょう。

するとぶつかったときは「－」のように全く波がない状態が生じます。その後、「←『～』　『～』→」のように、再び二つの波が現れて、離れて行きます。

もちろん、「－」という無から二つの波が生じることはありません。二つの波がぶつかってできた「－」は、よく見ると位置としては波がないけれど、「－」の各位置を見れば、大雑把に言えば速度は持っているのです。従って運動量も運動エネルギーもあります。

もし喩えるとしたら、少し違う状態ですが、ボールを転がして、その写真を撮ると、ボールはあたかも床に置かれて止まっているように映りますが、実は速度を持っていると、そういう感じです。

見た目に動いている状況が一時的に変わって、たとえば何も無いように見える状態になっても、それを形作っているものに運動量や運動エネルギーがある以上、それはやがて再び現れてくるということです。それが、「保存則」という物理学で自然現象を説明するときには大事な考え方です。

foomufoomu · Answer

物理学の立場としては、「そうなるのだから、しかたない」としか答えられません。
過去の物理学者が、いろいろ実験、観察をして、そういう法則があることを見つけたのです。

これ以上聞きたいのなら、物理カテでなく、哲学カテで質問してください。

補足、承りました。