コラム

2011年10月10日 (月)

望遠鏡を発明したのは誰?

 レンズを 2 枚組み合わせてものを見る実験は非常に簡単です。そのため、2 枚のレンズでものを拡大して見ることができることを最初に気がついた人が誰なのかはよくわかっていません。

 しかし、13 世紀のイギリスの哲学者ロジャー・ベーコンの 著書 「大著作(Opus Majus)」に、レンズを 2枚使って遠くのものを近くに見ることや、小さなものを大きく見ることが書き記されています。

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 1608年、オランダの眼鏡職人ハンス・リッペルスハイは凸レンズ(対物レンズ)と凹レンズ(接眼レンズ)を筒にはめた望遠鏡を作り、オランダ政府に特許を申請しました。同じくオランダの技術者ヤコブ・メチウスもリッペルスハイからわずかに遅れて同じ仕組みの望遠鏡の特許を申請しました。2人の特許は申請がほぼ同時だったことや、望遠鏡自体が新しい発明ではないこともあり認められませんでした。しかし、オランダ政府はリッペルスハイの望遠鏡を高く評価し、彼に報奨を出しています。そして、彼は実用的な望遠鏡の製造・販売を始めました。このことから、リッペルスハイが望遠鏡の発明者とされています。

  ところで、1590年頃に顕微鏡を発明したオランダのヤンセン親子の息子ツァハリアス・ヤンセンが1604年に望遠鏡を作ったという記録もあります。リッペルスハイがヤンセンのアイデアを盗んだのではないかという見解もあるようです。ただし、ヤンセンも既存の望遠鏡を真似て作ったともあり、1580年代の終わりにイタリアの博学者が望遠鏡を作っていたという記録も残っています。

 このように望遠鏡を誰が発明したかについては諸説あるのですが、17世紀に入って望遠鏡が非常に便利な道具としてヨーロッパに瞬く間に広まったのは間違いないようです。

■ガリレオが自作した望遠鏡

 イタリアのガリレオ・ガリレイはオランダで発明された望遠鏡を改良し、独自に天体望遠鏡を作りました。彼は1609年に天体観測を行い、木星や土星の衛星、月面のクレーター、太陽の黒点の動き、金星の満ち欠けなどを発見しました。それらの観察結果から当時主流であった天動説を否定しコペルニクスの地動説を支持しました。

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 凸レンズと凹レンズを組み合わせた望遠鏡をオランダ式望遠鏡またはガリレオ式望遠鏡といいます。オランダ式望遠鏡は次の図のように凸レンズA(対物レンズ)で収束する光線を凹レンズB(接眼レンズ)の虚像として見ます。拡大されたものを正立像として見る光学系としては構造が簡単なため、現在でも簡単な地上用望遠鏡やオペラグラスとして利用されています。しかし、倍率を上げると視野が非常に狭くなるという欠点があり、天体観測には向いていません。

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■ケプラーが考案した望遠鏡

 1611年、ドイツの天文学者ヨハネス・ケプラーはオランダ式望遠鏡の欠点を解決する望遠鏡として、凸レンズを2枚組み合わせた望遠鏡を考案しました。この望遠鏡をケプラー式望遠鏡といいます。ケプラー式望遠鏡は次の図のように凸レンズA(対物レンズ)で作った実像を凸レンズB(接眼レンズ)の虚像として見ます。拡大されたものを倒立像として見ますが、視野が広く倍率を上げることができます。また、天体観測では倒立像でも問題ないため、天体望遠鏡として広く使われるようになりました。地上用の望遠鏡では内部にプリズムを入れて正立像を得られるものもあります。この原理もケプラーが考案しました。

ただし、ケプラーは望遠鏡を自作していません。 1611年にケプラーが発表したのは理論だけでした。1645年にオランダのシルレによって、望遠鏡のしくみや応用が詳しくまとめられました。

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 ところで、レンズを使った望遠鏡には、倍率を上げると物体の色が正しく再現できないという欠点があります。プリズムに光を通すと虹のような色の帯ができますが、レンズにも同じような働きがあるため物体に色がついて見えてしまうのです。このため、アイザック・ニュートンは1618年に凸レンズと凹面鏡を使った反射望遠鏡を考え出しました。

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2010年4月30日 (金)

水は水色

海や湖を描くとき、海面や湖面を水色に塗ることが多いと思います。また、コップに入った水を水色に塗ったイラストをたくさん見つけることができるでしょう。

水色は色の定義からいうと、アクアか、アクアブルーに該当する色です。

さて、コップ一杯の実際の水は無色透明で、とても水色には見えません。しかしながら、水の色は水色という先入観から、水色に塗られたコップ一杯の水のイラストを見ても、違和感がない人が多いのではないでしょうか。

以前、ハワイに遊びにいったときに、潜水艦にのったことがあります。潜水艦でワイキキの沖の水中を見学するツァーがあります。

潜水艦の窓からのぞいた水中は水色の世界でした。

潜水艦の窓から入ってくる光も青色で、キャビンの中も水色に染まりました。

このように青くなる様子は水族館でも体験することができます。

やっぱり水は水色なのではないでしょうか。

コップ1杯の水は無色透明に見えますが、水も太陽光をわずかに吸収しています。そして、水は太陽光のうち赤色系の光を他の色の光より多く吸収する性質があります。

この性質は分光光度計という分析装置を使うと調べることができます。分光光度計を用いると、物質がどの波長の光をよく吸収しているのかがわかります。一般に、横軸に光の波長、縦軸に光の強度(吸収や反射の割合)をプロットしたグラフをスペクトルといいます。次の図は分光光度計で測定した水の吸収スペクトルです。

水が可視光線の長波長側の赤色系の光を吸収していることがわかります。

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R. M. Pope and E. S. Fry, "Absorption spectrum (380-700nm) of pure water. II. Integrating cavity measurements," Appl.Opt., 36, 8710-8723,(1997).

水が吸収する光はほんのわずかなのでコップ1杯の水では色の変化は分かりません。しかし、水の厚さが数mにもなると、赤色系の光がずいぶん失われ、残った青色系の光によって、水が水色に見えるようになります。水が水色なのは水の本来の性質なのです。

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2010年3月 3日 (水)

普通のガラス板を重ねると

普通のガラス板は正面から見ると透明に見えますが、断面を見ると緑色に見えます。これはガラスに含まれている不純物が光を吸収するからです。

次の図は厚さ1.5cmのガラスを2枚重ねて撮影した写真です。左右の厚さの差は1.5 cmですが、左側が緑色を帯びて暗くなっていることがわかります。

このガラスを何枚も重ねていくと、どんどん暗くなっていき、やがて光がまったく通らなくなります。

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光透過率の悪いガラスでレンズを作ると、カメラでは写真が暗くなり、映写機ではスクリーンに投影する像が暗くなります。

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2009年12月15日 (火)

光のふるまいは確率?

次のように光を90%透過するガラスがあります。

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この透過率90%というのは、ガラスに入射する光のうち10%がガラス入射面で反射したり、ガラス内部で吸収され、残りの90%がガラスを通り抜けてくるという意味です。

ガラスに入射する光をどんどん弱くしていき、最終的に光子1個ずつをガラスに入射させます。おおざっぱに言えば光子を100個ガラスに入射させると、90個がガラスを透過し、10個が反射もしくは吸収されるということになります。

ガラスを透過した光子と透過しなかった光子は、もともと同じ光源から出た同じ条件の光子ですから、光子の違いでガラスを透過したり、透過しなかったりするわけではありません。光子のガラスのあたり方で、透過したり、透過しなかったりするというのも考えにくいです。

となるとこの透過率90%というのは確率ということになります。光の振る舞いは確率で決まると言っても良いのでしょうか。

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