波動には、４つの特有の性質がある。反射、屈折、干渉、回析だ。
反射・屈折については、小学校の理科の作図で習っただろう。しかし、説明すると非常に難しくなるのでここではやめておく。基本的な事柄ほど難しい。
干渉とは、波が重なり合って互いに強めあったり打ち消しあったりする現象をいう。
海の波を想像してみる。海は、沖合いから海岸に向かって、ぼぼ一直線に同じインターバルで波を送ってくる。この波は液体を伝わることから縦波であり、また波面が平行であることから、平面波と呼ばれる。
波面は難しい物理用語と考えずに、意味は漢字から汲み取って欲しい。進行している波の先端の形、伝わり方を絵に描いたとき、それが真っ直ぐだったら平面波だ。
平面波に対して、波面が真っ直ぐじゃないもの。絵を描いたときに円になったり、球になったりするものを球面波と呼ぶ。
ミルククラウンを想像して欲しい。コップの中の牛乳の表面に、１滴だけ牛乳を垂らしてやると、そのときに飛び跳ねた牛乳の形が王冠の形になる。これも波動現象だ。当たり前だが、王冠は丸いから、このときの波は球面波である。
ミルククラウンを知らない人はお風呂を思い浮かべよう。長い間湯船に使っていると、天井から湯気が滴り落ちてくる。ドリフターズの歌を引用したが、正確には、落ちてくるのは湯気が冷えて水に状態変化したものが落ちてくる。ポタリと背中に落ちたら冷たいが、風呂の湯に落ちると、「ぴちゃ」という音をたて、円形の波面が広がると思う。かなり一瞬だからわかりづらいかもしれないが、円形なので球面波である。低い位置から落ちた湯気ではだめだ。天井からポタリと落ちるところがポイントだ。
では、この球面波が２つ以上、同時に起こった場合どうなるか。
言葉で説明してもわかりづらいので実験してみよう。
お風呂に入ったとき、水の中に腕をいれ、ぐるぐると思い切り水をかき回す。そうすると、鳴門海峡のような渦巻きができるはずだ。では、次は同時に２本の腕をいれて同じ方向にぐるぐるさせてほしい。渦巻きの中心を近づけると、１本で回していたときよりも回しづらく感じるだろう。何か特別な現象が起こっているのだ。
実は、２つの波の間で、強め合っている点と、打ち消しあう点ができている。まったく同じ波と波の中心同士を直線で結ぶと、真ん中の地点では、必ず強めあう点ができている。その次に波面がぶつかり合う点では弱めあう点が、その次は強めあう点ができている。このように、交互に強めあう点と打ち消しあう点ができているのだ。
波には独立性がある。進行方向が反対で、高さがyの波と波とが一直線上でぶつかったとき、この波の高さは一瞬 y+y=2y になるが、次の瞬間にはまた高さがyの波に戻り、それぞれの進行方向へと何事もなかったかのように進んでいくのだ。これが波の独立性だ。逆に、波と波とがぶつかりあった一瞬に、波の高さがそれぞれの高さの合計になることを、重ね合わせの原理という。
では話を元に戻す。
波と波とがぶつかり合うとき、その両方の波の高さyが足し合わされ2yとなり、強め合っているように見えるのだ。
ここで、波には高いところと低いところがあることを思い出して欲しい。海岸に打ち寄せる海の波は、常に水を海岸に打ち上げ続けているわけではない。水を送ったあと海はの波の高さは一瞬低くなり、人にはわからなくなる。そして次の瞬間に、また波は高くなり水を送ってくる。波には山と谷があるのだ。
そのため、波が強めあった次の瞬間、重ね合わせの原理より、今度は波の高さ-yと-yが足し合わされ、-2yとなり、そのため波は打ち消しあって見える。
以上が波の干渉についての説明だ。
さて、当たり前のことを言うが、棚の上から牡丹餅が１つ落ちてきた場合と、２つ落ちたきた場合では同じ現象が起こる。落ちてきた牡丹餅同士がお互いに影響しあい、特別な落ち方をしたり、餅と中のあんこが特殊な飛び散り方うことはない。
でも波は違う。2つの波が同時に起こると、干渉現象が起こり、波は強めあったり弱めあったりして、その姿を変える。だから干渉は、波動特有の性質なのだ。
余談だが、上記の説明では波に山と谷ができることを書いた。波動を簡単なグラフで表すと、変移yは正弦曲線、y=±sinx y=±cosx の三角関数で表される。
y=sinxなら、λ=2πで、x=1/2π
