波は重なり合っても（衝突しても）「独立性」を保つ

波は重なり合っても（衝突しても）「独立性」を保つ


月刊科学雑誌 『Newton』
2009年01月号
2008年11月26日発売
株式会社ニュートンプレス


素粒子の世界も支配する物理学の根幹
「波動」の正体
音，電磁波（光，電波，X線…）， 地震波，電子の波まで

協力 江馬一弘／中村健太郎／増田 章／山中浩明／米谷民明

http://www.newtonpress.co.jp/science/newton/back/back09/n0901.html


P42～43　より



波の基本的な性質
複雑な形の波も、“きれいな波形”の重ね合わせでできている
波がぶつかり合うと、何がおきる？


二つの波が衝突しても、波は元の形を保つ

二つの波がことなる方向からやってきて、“衝突”したら（重なりあったら）、どうなるだろうか？　物と物の衝突なら、ぶつかってはじけ飛んだり、こわれたりするだろう。

　高さ（振幅）1の山状の波が、左右から進んでできて中央で“ぶつかる”ことを考えよう（右ページ上のイラスト）。二つの波はある瞬間、完全に重なり合い、山の高さは2になる。しかし、元の波は“生きている”。その後、二つの波はすれちがい、高さ1の山が二つ、ふたたびあらわれるのだ。通常、波は“衝突”の前後で「独立性」を保ち、ほかの波からの影響を受けないのである※2。物体の衝突と、波の“衝突”は大きくことなるのだ。　
　たとえば、下から青色（波長が短い）、左から赤色の光（波長が長い）を照射することを考えよう（右ページ中央のイラスト）。赤色の光は、青色の光と“衝突”しても影響を受けず、右側のスクリーンに映るのは、やはり赤色だ。


※2　：　ただし、水面波の振幅が大きい場合は、二つの波が影響しあうこともある。




波は重なり合っても
「独立性」を保つ

高さ1の山状の波どうしが近づく（1）。二つの波が重なり合い（足し算され）、高さ2の山状の波となる（2）。二つの波が、いったん重なり合ったとしても、元の波は“生きている”。その証拠に、その後、高さ1の山状の波二つがふたたびあらわれ、遠ざかる（3）。このように波は“衝突”前後で影響を受けず、独立性を保つのである。














光も「独立性」を保つ

左から赤色の光を照射し、下から青色の光を照らす。右側のスクリーンにうつるのは、赤色の点であり、赤色と青色がまざることはない。











通信・放送用の電波の「変調」

無線による通信・放送では、電波を“変形”させて、情報をのせている。電波の変形のしがたは「変調」とよばれる。変調の方法はさまざまあるが、上では、AMラジオ放送で使われる「AM（振幅）変調」を示した。上の「送りたい情報の波形」とは、たとえば、音声や映像の情報をグラフであらわしたものである。

AM変調では、送りたい情報の波形に合わせて、“情報の運び役”である「搬送波」の振幅をかえてやり（右向きのオレンジ色矢印）、電波（変調波）として送信する。「電波の周波数（振動数）」といった場合、この搬送波の周波数のことをさす。受信側は、変調波を受信したあと、情報の波形をとりだす（復調：左向きのオレンジ色矢印）。なお、AM変調は、「波の足し算（重ね合わせ）」ではなく、「波のかけ算（送りたい情報の波形×搬送波）」に相当する。

























前ページのイラストには、きれいな波紋をえがいたが、実際の海の波は、通常、もっと複雑な模様をえがいている。さまざまな波長や振幅の波が、さまざまな方向からやってきて、それらが重ね合わさることで、実際の波をつくっているのだ（イラスト中央）。

　逆にいえば、複雑な形の波でも、分解すれば、“きれいな波形”の重ね合わせとして考えることができる。ここでいうきれいな波形とは、波長や振幅が一定の波のことだ※1。この後のページでも、きれいな波形を例にして、さまざまな波を紹介していくが、それはきれいな波形がすべての波動現象の基本だからである。

　以上のことは、すべての波動に当てはまる。この後に紹介する地震波、音波、光、電波なども、実際の波形は複雑だが、きれいな波形を基本として考えることができる。


※1　：　“きれいな波形”とは、数学で「正弦曲線（サインカーブ）」と
　　　　　　よばれるもののこと。
　　　　　　中央のイラストのAの縁の赤いラインが正弦曲線である。
　　　　　　さまざまな波長・振幅の正弦曲線を、さまざまに位置をずらして
　　　　　　重ね合わせれば、どんな複雑な波形もつくりだすことができる。