水中歩行は退屈で・・・

 

2019.6/10(月)、雨  昨年夏ころから水中歩行をやっていますが、40~50分も何もせず歩いていると退屈です。ときどき初心者コースに移って軽く泳いだりもしますが膝が痛くなることがあり良くありません。とにかく退屈です。

何かやることはないかとボーっと考えていたら、面白いことを思いつきました。歩いているとプールの床がゆらゆらと揺れて見えます。そこで、光が斜めに水中に入るときに屈折するのはなぜかと考えてみました。

理科の授業では屈折率を使って計算したりしますが、私が疑問に思ったのはそもそも「屈折」はなぜ起きるのか、ということです。

むかし、屈折は空中と水中の光の速度の差によって起きると何かで読んだことを思い出しました。しかしサッパリその先がすすみません。そこでインターネットで調べるとちゃんと答えが書いてありました。

光が空中から水に入るときは、トラックがアスファルトの舗装道路から砂利道に入るような場合と似ているのだそうです。トラックが光で、砂利道が水中です。
つまり斜めに砂利道に入ろうとするトラックはまず運転席の左側(図に向かっては右側)の車輪が砂利道に入るので抵抗が大きくなり速度が落ち、右車輪はまだアスファルト道路にあるので抵抗が少なく先に進む。そうするとトラックの進行方向はやや左に向きを変える。つまりアスファルトを走って来た角度よりも大きな角度になる。
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運転席の右側の車輪も砂利道に入ると左右の車輪とも同じ水の抵抗になるのでそのまままっすぐ進む。アスファルトを走って来た角度よりも大きな角度で砂利道を進む。これが屈折の原理だというのです。
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参考・・・光の速度は真空中で最も速く、空中で少し遅くなり、水中などではもっと遅くなります。

なるほどよく分かりました。ところがちょっとおかしなことに気づきました。
トラックの左右の車輪のように2つの平行な光が来た場合を考えてみました。
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画面に向かって右側の光が先に水に接触するので速度が落ちるのは分かります。ところが、左の光はそのまままっすぐ進んで水に接触するだけです。それぞれ水に接触したときに速度が落ちたとしてもなぜそこで曲がらねばならないのか分かりません。
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つまり、トラックの左右の車輪は車軸でつながっているので、一方の抵抗が大きくて速度が落ちた場合、そちらに寄って(少し回転して)進行方向が曲がることは理解できます。

しかし2つの光線はつながっていないので、一方が速度が落ちたとしても他方はそれとは関係なく先に進んでしまい、曲がる(屈折)の説明はできません

ここで私は数日間あれこれと考えながら水中歩行をしていました。

2つの光線がもっとずっと近寄っていたらどうかと考えたのですが、いくら近寄っていてもそれぞれの2つの光線は独立しているだろうから他方とは関係なく動くだろうと考えました。
そこで2つの光線ではなく、幅が1mmくらいの1つの光線ではどうなるか考えてみました。しかし光線の右端と左端はやはり他端と関係なく動くと思われました。幅が0.1mmくらいでも同じでしょう。もし光の波長程度の場合でも同じかな?

(参考ですが、赤い光は約700nm(ナノメートル)、たぶん0.0007mmくらい)

光の波長とは何だ?、しかしこれは難しそうでこれ以上考えるのは止めました。(ずっと後でまた考えることになったのですが、それはまた後で)

何日かたって面白いことに気づきました。

光は波でもあり粒子でもあると言われています。そこで光の1粒について考えてみると、進展がありました。粒だから横幅があります。
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その光の粒が水面に到達すると(下の図では)右側が水に接触して抵抗が大きくなり速度を落とそうとする。
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光粒子の左側はまだ空中にあるので速く進む。その結果、光の粒は少し回転するような形になり向きを変える。
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光の粒が完全に水中に入ると左右とも同じ抵抗になるのでそれ以上回転することはなくそのまま直進する。この方向は空中を飛んできた場合よりも角度が大きくなっている。このような光の粒がたくさん集まって、目に見える光線となっている。
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これが、私が水中歩行しながら理解した屈折の原理です。(間違ってるかもしれません)

何日も何日もただ水の中を歩くだけですから、こんなことでも考えていないと間が持ちません。

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