光のおはなし

2014年5月 6日 (火)

ニュートンのプリズム分光実験が1666年である根拠

アイザック・ニュートンがプリズムを使って太陽光のスペクトルを観察する実験を行ったのは1666年と言われています。たくさんの本に「1666年」と記載されていますが、ニュートンの「光学」が刊行されたのは1704年です。1666年の根拠は何か調べてみました。

Newton

ニュートンは1665年に万有引力を発見していますが、この頃、ロンドンではペスト菌が大流行しており、ケンブリッジ大学が閉鎖となりました。ニュートンは大学の雑務から解放され、しばらくの間、故郷に帰りました。ニュートンは、かねてから考えていたことを、ゆっくりと研究することができる時間を得て、微分積分学、プリズム分光、万有引力の研究を行いました。

その後、ニュートンは大学に戻り、1669年にケンブリッジ大学の数学の教授職であるルーカス教授となりました。教授となっての最初の功績は、数学ではなく、反射式望遠鏡の発明でした。王位教会はこの反射式望遠鏡に注目し、1671年にニュートンに反射式望遠鏡を提出するよう要求しました。ニュートンは反射式望遠鏡の改良型を作成し、王位教会に提出、多くの専門家から賞賛されました。

ニュートンは、反射望遠鏡の発明の経緯について、王立協会宛に1672年2月6日付けで「New Theory About Light and Colour(光と色の関する新理論)」と題した手紙を送りました。

この手紙の冒頭に、1666年の初めにプリズム実験をしたことが書かれているのです。

New Theory About Light and Colour
by Isaac Newton
Sir,
To perform my late promise to you, I shall without further ceremony acquaint you that in the beginning of the year 1666 (at which time I applied myself to the grinding of optic glasses of other figures than spherical) I procured me a triangular glass prism to try therewith the celebrated phenomena of colours. And in order thereto having darkened my chamber and made a small hole in my window-shuts to let in a convenient quantity of the sun's light, I placed my prism at his entrance that it might be thereby refracted to the opposite wall. It was at first a very pleasing divertissement to view the vivid and intense colours produced thereby; but after a while, applying myself to consider them more circumspectly, I became surprised to see them in an oblong form, which according to the received laws of refraction I expected should have been circular.
They were terminated at the sides with straight lines, but at the ends the decay of light was so gradual that it was difficult to determine justly what was their figure; yet they seemed semicircular.
Comparing the length of this coloured spectrum with its breadth, I found it about five times greater, a disproportion so extravagant that it excited me to a more than ordinary curiosity of examining from whence it might proceed. I could scarce think that the various thickness of the glass or the termination with shadow or darkness could have any influence on light to produce such an effect; yet I thought it not amiss first to examine those circumstances, and so tried what would happen by transmitting light through parts of the glass of divers thicknesses, or through holes in the window of divers bignesses, or by setting the prism without, so that the light might pass through it and be refracted before it was terminated by the hole. But I found none of those circumstances material. The fashion of the colours was in all, these cases the same.
Then I suspected whether by any unevenness in the glass or other contingent irregularity these colours might be thus dilated. And to try this, I took another prism like the former and so placed it that the light, passing through them both, might be refracted contrary ways, and so by the latter returned into that course from which the former had diverted it. For by this means I thought the regular effects of the first prism would be destroyed by the second prism but the irregular ones more augmented by the multiplicity of refractions. The event was that the light which by the first prism was diffused into an oblong form was by the second reduced into an orbicular one with as much regularity as when it did not at all pass through them. So that, whatever was the cause of that length, 'twas not any contingent irregularity.
The gradual removal of these suspicions at length led me to the experimentum crucis, which was this; I took two boards, and placed one of them close behind the prism at the window, so that the light might pass through a small hole made in it for the purpose and fall on the other board, which I placed at about 12 feet distance, having first made a small hole in it also, for some of that incident light to pass through. Then I placed another prism behind this second board so that the light, targeted through both the boards, might pass through that also, and be again refracted before it arrived at the wall. This done, I took the first prism in my hand, and turned it to and fro slowly about its axis, so much as to make the several parts of the image cast on the second board successively pass through the hole in it, that I might observe to what places on the wall the second prism would refract them. And I saw by the variation of those places that the light tending to that end of the image towards which the refraction of the first prism was made did in the second prism suffer a refraction considerably greater than the light tending to the other end. And so the true cause of the length of that image was detected to be no other than that light consists of rays differently refrangible, which, without any respect to a difference in their incidence, were, according to their degrees of refrangibility, transmitted towards divers parts of the wall.
I shall now proceed to acquaint you with another more notable difformity in its rays, wherein the origin of colours is unfolded: concerning which I shall lay down the doctrine first and then for its examination give you an instance or two of the experiments, as a specimen of the rest.
The doctrine you will find comprehended and illustrated in the following propositions.
1. As the rays of light differ in degrees of refrangibility, so they also differ in their disposition to exhibit this or that particular colour. Colours are not qualifications of light, derived from refractions or reflections of natural bodies (as 'tis generally believed), but original and connate properties which in divers rays are divers. Some rays are disposed to exhibit a red colour and no other, some a yellow and no other, some a green and no other, and so of the rest. Nor are there only rays proper and particular to the more eminent colours, but even to all their intermediate gradations.
2. To the same degree of refrangibility ever belongs the same colour, and to the same colour ever belongs the same degree of refrangibility. The least refrangible rays are all disposed to exhibit a red colour, and contrarily those rays which are disposed to exhibit a red colour are all the least refrangible. So the most refrangible rays are all disposed to exhibit a deep violet colour, and contrarily those which are apt to exhibit such a violet colour are all the most refrangible. And so to all the intermediate colours in a continued series belong intermediate degrees of refrangibility. And this analogy 'twixt colours and refrangibility is very precise and strict; the rays always either exactly agreeing in both or proportionally disagreeing in both.
3. The species of colour and degree of refrangibility proper to any particular sort of rays is not mutable by refraction nor by reflection from natural bodies nor by any other cause that I could yet observe. When any one sort of rays hath been well parted from those of other kinds, it hath afterwards obstinately retained its colour, notwithstanding my utmost endeavours to change it. I have refracted it with prisms and reflected it with bodies which in daylight were of other colours; I have intercepted it with the coloured film of air interceding two compressed plates of glass; transmitted it through coloured mediums and through mediums irradiated with other sorts of rays, and diversely terminated it; and, yet could never produce any new colour out of it. It would by contracting or dilating become more brisk or faint and by the loss of many rays in some cases very obscure and dark; but I could never see it changed in specie.
4. Yet seeming transmutations of colours may be made, where there is any mixture of divers sorts of rays. For in such mixtures, the component colours appear not, but by their mutual allaying each other constitute a middling colour. And therefore if by refraction or any other of the aforesaid causes the difform rays latent in such a mixture be separated, there shall emerge colours different from the colour of the composition. Which colours are not new generated, but only made apparent by being parted; for if they be again entirely mixed and blended together, they will again compose that colour which they did before separation. And for the same reason, transmutations made by the convening of divers colours are not real; for when the difform rays are again severed, they will exhibit the very same colours which they did before they entered the composition—as you see blue and yellow powders when finely mixed appear to the naked eye green, and yet the colours of the component corpuscles are not thereby transmuted, but only blended. For, when viewed with a good microscope, they still appear blue and yellow interspersedly.
5. There are therefore two sorts of colours: the one original and simple, the other compounded of these. The original or primary colours are red, yellow, green, blue, and a violet-purple, together with orange, indigo, and an indefinite variety of intermediate graduations.
6. The same colours in specie with these primary ones may be also produced by composition. For a mixture of yellow and blue makes green; of red and yellow makes orange; of orange and yellowish green makes yellow. And in general if any two colours be mixed which, in the series of those generated by the prism, are not too far distant one from another, they by their mutual alloy compound that colour which in the said series appeareth in the mid-way between them. But those which are situated at too great a distance, do not so. Orange and indigo produce not the intermediate green, nor scarlet and green the intermediate yellow.
7. But the most surprising and wonderful composition was that of whiteness. There is no one sort of rays which alone can exhibit this. 'Tis ever compounded, and to its composition are requisite all the aforesaid primary colours, mixed in a due proportion. I have often with admiration beheld that, all the colours of the prism being made to converge and thereby to be again mixed as they were in the light before it was incident upon the, prism, reproduced light, entirely and perfectly white, and not at all sensibly differing from a direct light of the sun, unless when the glasses I used were not sufficiently clear; for then they would a little incline it to their colour.
8. Hence therefore it comes to pass that whiteness is the usual colour of light, for light is a confused aggregate of rays endued with all sorts of colours, as they are promiscuously darted from the various parts of luminous bodies. And of such a confused aggregate, as I said, is generated whiteness, if there be a due proportion of the ingredients; but if any one predominate, the light must incline to that colour, as it happens in the blue flame of brimstone, the yellow flame of a candle, and the various colours of the fixed stars.
9. These things considered, the manner how colours are produced by the prism is evident. For of the rays constituting the incident light, since those which differ in colour proportionally differ in infrangibility, they by their unequal refractions must be severed and dispersed into an oblong form in an orderly succession from the least refracted scarlet to the most refracted violet. And for the same reason it is that objects, when looked upon through a prism, appear coloured. For the difform rays, by their unequal refractions, are made to diverge towards several parts of the retina, and there express the images of things coloured, as in the former case they did the sun's image upon a wall. And by this inequality of refractions they become not only coloured, but also very confused and indistinct.
10. Why the colours of the rainbow appear in falling drops of rain is also from hence evident. For those drops which refract the rays disposed to appear purple in greatest quantity to the spectator's eye, refract the rays of other sorts so much less as to make them pass beside it; and such are the drops on the inside of the primary bow and on the outside of the secondary or exterior one. So those drops which refract in greatest plenty the rays apt to appear red toward the spectator's eye, refract those of other sorts so much more as to make them pass beside it; and such are the drops on the exterior part of the primary and interior part of the secondary bow.
13. I might add more instances of this nature, but I shall conclude with this general one, that the colours of all natural bodies have no other origin than this, that they are variously qualified to reflect one sort of light in greater plenty than another. And this I have experimented in a dark room by illuminating those bodies with uncompounded light of divers colours. For by that means any body may be made to appear of any colour. They have there no appropriate colour, but ever appear of the colour of the light cast upon them, but yet with this difference, that they are most brisk and vivid in the light of their own daylight colour. Minium appeareth there of any colour indifferently with which 'tis illustrated, but yet most luminous in red, and so Bise appeareth indifferently of any colour with which 'tis illustrated, but yet most luminous in blue. And therefore minium reflecteth rays of any colour, but most copiously those endued with red; and consequently when illustrated with daylight, that is, with all sorts of rays promiscuously blended, those qualified with red shall abound most in the reflected light, and by their prevalence cause it to appear of that colour. And for the same reason bise, reflecting blue most copiously, shall appear blue by the excess of those rays in its reflected light; and the like of other bodies. And that this is the entire and adequate cause of their colours is manifest, because they have no power to change or alter the colours of any sort of rays incident apart, but put on all colours indifferently with which they are enlightened.
These things being so it can no longer be disputed whether there be colours in the dark, nor whether they be the qualities of the objects we see, no, nor perhaps whether light be a body. For since colours are the qualities of light, having its rays for their entire and immediate subject, how can we think those rays qualities also, unless one quality may be the subject of and sustain another—which in effect is to call it substance. We should not know bodies for substances were it not for their sensible qualities, and the principal of those being now found due to something else, we have as good reason to believe that to be a substance also.
Besides, who ever thought any quality to be a heterogeneous aggregate, such as light is discovered to be? But to determine more absolutely what light is, after what manner refracted, and by what modes or actions it produceth in our minds the phantasms of colours, is not so easy. And I shall not mingle conjectures with certainties.

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2013年11月30日 (土)

光源と物体の色のおはなし

■光源の色と物体の色

 私たちが色を見ることができるのは、光源を見ているときか、光で照らし出された物体を見ているときです。

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 光源の色は、光源から出た光を直接眼でとらえますから、光源が決まれば、眼で見える色が決まります。例えば、波長590 nmの光を出すナトリウム灯はオレンジ色に見えます。
 一方、物体の色は、光源から物体に届く光のうち、物体に吸収せれずに反射した光で決まります。

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 次の図は光源を太陽とした場合のリンゴとバナナの反射スペクトルを示したものです。

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 赤いリンゴは太陽光に含まれる青緑系の波長の光を吸収し、太陽光から青緑系の光を欠いた光を反射します。その反射光が私たちには赤く見えるのです。同様に、黄色いバナナは太陽光に含まれる青系の波長の光を吸収し、太陽光から青系の光を欠いた光を反射します。その反射光が黄色く見えます。

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 赤いリンゴに青緑系の光を当てると、反射する光がありませんからリンゴは黒っぽく見えます。また、黄色いバナナに青色系の光を当てると、同じ理由で黒っぽく見えます。このように、多くの物体の色は「光源の光」と「物体が吸収・反射する光」で決まります。赤いリンゴや黄色いバナナは、昼間の太陽光のもとでは赤色や黄色ですが、光源が変われば見える色も変わります。私たちは普段何も気にすることなく「リンゴは赤色」「バナナは黄色」としていますが、暗黙の了解で光源を昼間の太陽としているのです。

■色の基準となる光は太陽光

 私たちの視覚は太陽のもとで発達してきました。ですから、太陽光は人間にとって最も自然で理想的な光であり、太陽は私たちが見ている色の基準となる光源です。

 太陽から地球にやってくる電磁波は地球の大気で散乱・吸収されます。例えば、人体に有害なガンマ線やエックス線は大気で吸収され、ほとんど地表に届きません。紫外線・赤外線も、その一部しか地表に届きません。可視光線は大気で散乱・吸収されますが、すべての波長領域の光が地表に届きます。このように大気は太陽光に対してフィルターのような働きをしています。多くの生物の視覚は主に大気のフィルターを通り抜けてきた可視光線に適応しながら進化してきたのです。

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■標準の光

 物体の色は物体を照らし出す光によって違って見えます。太陽光、白熱電灯、蛍光灯のもとでは、同じ色もわずかに違って見えます。色を厳密に定義するためには、光源を特定する必要があります。そこで、私たち人間の視覚にとって理想的な太陽光をもとに標準の光が定められています。その中でも色を定義する光として、D65が基準とされています。D65は紫外線を含む昼間の太陽光で照らされた物体の色を測定するために用いられる標準の光です。D65に紫外線が含まれているのは、紫外線が当たると蛍光を発する物体があるからです。現在、D65の標準の光を忠実に再現する光源はありませんが、D65の標準の光に近い光源が標準光源として使われています。

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■白色光はどんな光

 白色光はよく「可視光領域の波長の光をすべて含んだ光」「無色の光」などと定義されます。また、物理的にはすべての波長の電磁波を同じ強さで含む光と定義されることもあります。しかし、物体の色について考える場合、昼間の太陽光とほぼ同じように物体の色を再現できる光を白色光としてよいでしょう。

 太陽光は理想的な白色光ですが、実際には黄色い光をたくさん含んでいます。白熱電灯も黄色い光をたくさん含む白色光です。三波長形蛍光灯は赤・緑・青の光を混合した白色光を出しています。一般的な白色LEDは、青色の光を蛍光物質に当てることによって黄色い光を発光させ、青色と黄色の光を混合した白色光を出しています。

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 これらの電灯は、さまざまな波長の可視光線を均等に含んだ光を出しているわけではありませんし、それぞれ光の成分は異なります。しかし、物体の色を再現するという点においては、私たちが日常使う電灯が出している光は白色光と呼んで差し支えありません。

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2013年10月 1日 (火)

高温の物体から出る光 熱放射

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 高温に熱せられたものが光を出すことは多くの人が経験から知っていると思います。たとえば、写真のような電気ストーブは、ヒーターが高温になると、ヒーターから赤い光が出てきます。高温の物体から光が出てくるしくみを考えてみましょう。

 電熱線に電気と通すと、発熱と同時に暗赤色になります。電熱線は温度が高くなるにつれて明るい色を出します。このとき、電熱線が発熱するのは、電熱線の金属原子が振動するからです。原子が振動するとき、原子の中の電子は原子より軽いため、より激しく振動します。電荷をもつ電子が振動すると、電磁波が発生します。

 冷たい氷を含めて、あらゆる物体は熱をもち赤外線を出しています。これは電子の振動に由来します。そして、物体の温度が上昇して電子の振動エネルギーが可視光線のエネルギーに相当する大きさになると、目に見える光が出てきます。電子の振動が激しくなるにつれて、光の波長の種類と光の量が増え、やがて白色光や青白い光が出てくるようになります。このように物体が熱を光として出す現象を熱放射といいます。熱放射で物体から出てくる光の色や強さは、物体によらず温度で決まります。これを黒体輻射といいます。

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 身近な例では、白熱電球は、熱放射で光を出しています。白熱電球は電気エネルギーを熱エネルギーに変換してから光を出すため、電気エネルギーを光に変換する効率が低く、100ワットの電球で10%程度しかありません。そのため、光っている電球は非常に熱くなっています。

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2013年4月20日 (土)

光速の測定と光の波動説

次の図のように、光が空気中から水中にはいるとき、光は水と空気の境界面で屈折して水中に入ります。このとき、屈折角は入射角より小さくなります。

Photo

 この現象は、光の波動説では光の速さが水中ではおそくなるためとされていました。一方、粒子説では、光の粒子が水にはいるときに下向きの力がはたらくためとされていました。光の粒子に下向きの力がはたらくということは、光の粒子が水中に入るときに加速されることを意味します。つまり光速は水中の方が速いことになります。この光の屈折に対する、光の粒子説と波動説の解釈の食い違いに決着がつけば、光が粒子か波かがわかることになります。実はヤングもそのことを指摘していましたが、1800 年代の初めに水中の光速を正確に測定する技術はなかったのです。

 水中の光速を測定しようと最初に試みたのは、フランスの物理学者フランソワ・アラゴです。彼はいち早く光の波動説を認めた科学者であり、その関係でフレネルと共同研究を行っています。光が横波であることが実証されたのも、2人の共同研究によるものでした。

Francois_arago
フランソワ・アラゴ

 アラゴは光の波動説を証明するため、1838 年頃から水中とガラス中の光の速さを比べる実験をしましたが、十分な結果を得ることができませんでした。

 1850 年、視力が衰え始めたアラゴは水中の光速がわかれば、光の粒子説と波動説の論争に決着をつけることができると唱え回転鏡を用いた光速の測定実験をフィゾーとフーコーに託したのです。

 フィゾーはアラゴが推奨した回転鏡を用いた光速の測定実験を途中で諦めてしまいましたが、フーコーは回転鏡を用いた光速測定実験に拘り続け、装置の改良を続けました。

 1850 年、フーコーはついに水中の光速を測定することに成功しました。彼が測定した水中の光速は、空気中の光速(秒速 30 万キロメートル)の約3/4の値、秒速22万5千キロメートルでした。この実験結果によって、光は波であると結論づけられ、1672 年に始まった光の粒子説と波動説の論争に、ひとまず終止符が打たれることになったのです。

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2012年11月 9日 (金)

ピンホール現象で笑い顔

早朝に起きたら、壁にこんな像ができていました。どっかで見たような漫画の笑い顔です。

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出かける前だったので、写真だけ撮影しました。十分に観察はできなかったのですが、これはベランダのカーテンが左右合わった切れ目部分の上部から差し込んだ光が作った太陽の像です。

切れ目がピンホールになって像ができたのだと思います。上の2つの円形は太陽の形です。下の三角は大きな切れ目から差し込んだ光でしょうが、角が丸くなっています。これはピンホール現象の影響でしょう。

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2012年10月26日 (金)

ピンホールで像ができる仕組み

 次の図のように厚紙に1センチメートルほどの星型の穴を開けて、天井の蛍光灯で厚紙の影を作ると、どのような影ができるでしょうか。穴の部分が明るい星型をした厚紙の影ができるでしょうか。

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 実際にやってみると、影の穴の部分は星型をしておらず、そこに蛍光管の姿が映し出されます。穴の形が円形でも三角形でも四角形でも、穴の形に関係なく蛍光管の姿が映ります。

 もし、蛍光管が円形のタイプのものなら、ドーナツ状の蛍光管の姿が映し出されます。このように映し出された物体の姿を像といいます。この像は鏡の中に見える物体の虚像とは異なり、そこに実際にやってきた光で作られる実像です。
 光源や物体の1点から出る光は四方八方に広がって進みます。次の図は物体の1点から出た光がピンホールに入る様子を示したものです。物体の1点から出て広がって進む光のほとんどは遮断されますが、ピンホールを通り抜けることができた光がスクリーンに物体の像を作ります。

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 ピンホールでできる像は元の物体と上下左右が反転した倒立像となります。これは光が直進するからです。次の図のように物体のABXYから出てピンホールに向かう光は、ピンホールを通過した後、A’B’X’Y’に向かって進みます。つまり、ピンホールで光が交差するため上下左右が反転した像ができるのです。ピンホール現象を利用したカメラが第1章で説明したカメラ・オブスクラ、つまりピンホールカメラです。

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 ピンホールと同様に鏡でスクリーンに像を作ることもできます。太陽光を鏡で反射させスクリーンに当てたとき、鏡とスクリーンの距離が短いと鏡の形をした明るい光が映るだけですが、距離が長くなると次の写真のように太陽の像が映ります。ピンホールは光を通過させて像を作りますが、鏡は光の進む向きを反転させて像を作ります。

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2012年9月20日 (木)

光速の測定実験は航海図の作成がきっかけだった

地図の作成が光速の測定のきっかけを作る

 1670年代にパリの天文台台長を務めていたイタリアの天文学者ジョバンニ・カッシーニは、木星の衛星や土星の衛星を観測し、天体観測で多大なる功績を残しました。

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 この時代は、ヨーロッパ諸国が海外進出をした大航海時代が終盤に差し掛かった頃でした。多くの航路が発見され、盛んに貿易が行われるようになると、船の安全な航行が求められるようになりましたが、そのためには正確な地図が必要です。そして、船が自分の位置を知るためには、周囲に何もない洋上でも、南北を位置を表す緯度と東西の位置を表す経度を正確に求めなければなりません。

Photo

 南北の位置を表す緯度は、地平線もしくは水平線と太陽や北極星のなす角度から比較的簡単に求めることができました。

 一方、東西の位置を表す経度を求めるためには、基準の位置と自分が存在する位置の時差を知る必要があります。

 しかしながら、当時は正確な時計がなかったため、緯度を正確に求めることはできませんでした。そのため、いかにして正確に緯度を求めるかが、正確な地図を作るうえで、重要な鍵になっていました。

 2つの地点の時差がわかると経度を求めることができる原理を考えてみましょう。いま、船が出港地で太陽が南中する正午に時計を12:00に合わせて出航したとします。船がある地点に到達したとき、太陽が南中する正午に時計を見ると、時間は12:00からずれているはずです。

 この時間のずれから、出港地とその地点の時差を求めることができます。地球は24時間で1回転していますので、1時間あたりの経度は15度になります。ですから、出港地との時差がわかれば、出港地からの何度のところにいるのかがわかるので経度を求めることができます。

 現在、経度の基準となっているのはイギリスのグリニッジ天文台です。グリニッジ天文台で正午に12:00に合わせた時計を日本の兵庫県明石市で正午に見ると、時計は3:00を示します。つまり、時計が9時間が遅れていることがわかります。これは日本の時間がグリニッジ天文台の時間より9時間早いことを意味します。時差は+9時間ですから、明石市の緯度は15度×9時間ですから東経135度ということになります。

最初に経度を求める方法を提案したのはガリレオだった

 昔はヨーロッパの多くの国が自国の天文台を基準にした地図を作成しようと、経度を正確に決定する方法に懸賞金をかけていました。この懸賞金を目的に多くの天文学者が経度を求める方法を研究しました。

 イタリアのガリレオは1610年に自作の望遠鏡で木星の4つの衛星を発見していますが、これらの衛星の食(衛星が木星の裏側に隠れる現象)が規則的に起こることから、世界のどこからでも確認できる標準の時計として使えると考え、経度を決定する方法を提案しています。しかし、この方法で経度を求めるには詳細な観測データが必要でした。

  ガリレオの経度を求める方法は後にカッシーニによって実現されました。この詳細な観測データと天体歴から、基準となる地点との時間差を求めることができ、経度差を計算できるようになりました。

 しかし、この方法は衛星の観測に時間がかかるという欠点がありました。そのため、この方法は地上で経度を求める目的には使えましたが、洋上で船が経度を求める目的には使えませんでした。

 また、詳細な観測データが得られると、木星の衛星の食が始まる時間が季節によって異なることが判明しました。つまり、季節によって経度が変わってしまうことがわかったのです。ところが、カッシーニはその原因を突き止めることはできませんでした。

光速は有限であることを証明したレーマー

著名なカッシーニのもとにやってきたのが、デンマークの天文学者オーレ・レーマーです。

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当時、光速は無限と考えられていましたが、レーマーは木星の食が始まる時間が季節によってずれることから、光速が有限であることを突き止めました(詳細)。彼は1676年にパリ科学アカデミーの機関誌に「光の運動の証拠」という論文を発表しています。

この論文で、彼は、季節によって木星の衛星の食が始まる時間がずれるのは、光速が有限であり、衛星から地球まで光がやってくる時間が季節によって変動するからだと結論づけました。

この現象はカッシーニも気がついていましたが、カッシーニは光速は無限大と考えていたため、時刻のずれの原因を突き止めることはできなかったのです。

カッシーニはレーマーの結論を認めませんでしたが、イギリスの物理学者アイザック・ニュートンやオランダの物理学者クリティアーン・ホイヘンスはレーマーの考えを支持しました。

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2012年8月30日 (木)

スペクトルとはなにか(1)

 1666年、イギリスの物理学者アイザック・ニュートンは太陽光をプリズムに通すと虹のような連続した光の色の帯が現れる現象を発見しました。このような現象が起こるのは、太陽光に含まれる可視光線がプリズムで屈折して、さまざまな色の光に分かれるからです。ニュートンはこの連続した光の色の帯のことをスペクトルと名付けました。

Prismnewton

 一般的に、スペクトルとは光の成分を波長の順に並べたもののことをいいます。光は波長によって分類することができますが、スペクトルも光の波長範囲によって可視スペクトル、赤外スペクトル、紫外スペクトル、X線スペクトルなどに分類されます。

ニュートンが発見した太陽光の光の色の帯は、太陽光に含まれる可視光線のスペクトルです。

Vislight

太陽光から出る光のスペクトルは次の図のようになります。これは、横軸を波長、縦軸を光の強度で表したスペクトルです。

Prismnewton

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2012年8月25日 (土)

すさまじい威力の自作の太陽炉

米国の19才の少年が5800個の鏡を使って作ったR5800という名前の凹面鏡です。直径1メートルのパラボラアンテナに鏡を貼り付けて作ったそうです。この凹面鏡の焦点に物体を置くと、あっという間に物体が燃焼してしまうのですが、その威力は金属を溶融させるほどで、まさに太陽炉のようです。この簡単な装置で、焦点の位置の温度は3600℃にもなるそうです。

Solar "Death Ray": Power of 5000 suns!

ただ、このR5800は格納していた小屋が火事になってしまい燃えてしまったそうです。火事の原因はよくわかっていないようですが、小屋に入り込んだ光がR5800に集められて小屋に火をつけた可能性があるとのことです。ものを燃やす装置が自分を燃やしてしまったことになります。ネット上では、装置が自殺したなんて書かれています。

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2012年8月 9日 (木)

ペットボトルで火をつける方法

WATER BOTTLE STARTS FIRE!!

ペットボトルに水を入れ、太陽の光を集めると、火をつけることができるかどうかを検証した実験ができます。

透明なポリ袋に水を入れてもレンズができます。

火がない!と思っても、太陽さえ出ていれば何とかなるものです。

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