光が光を遮り「光の影」を作ることに成功！影を再定義する研究結果

「光が光の影」を落とす

影を知ることは光を知ることでもある

人類の影に対する理解は、常に光に対する理解と並行して進化してきました。

影の研究と利用は芸術と科学の歴史にも深く刻まれています。

たとえば演劇の分野では、影は影絵として世界中のさまざまな文化で数千年にわたり存在してきました。

両手を交差させた「カニ」や片手の小指を動かす「イヌ」の影絵は、誰もが一度は見たり試したりしたことがあるでしょう。

また美術の分野では、ルネサンス時代の影の研究が西洋絵画における写実主義の発展に大いに貢献しました。

原始的な芸術として知られる洞窟壁画や古代エジプトの壁画が影をあまり意識しない一方で、ルネサンス期以降の絵画ではあえて「影を描く」ことで物体を写真のように描くことに成功したのです。

天文学の分野でも、日食や月食が「影の仕業」であることが発見され、月と太陽の大きさや距離が測定されるようになりました。

古代ギリシャのエラトステネスは紀元前220年頃に、垂直に立てた棒が作る影が緯度の高さによって異なることから、地球の大きさを測定したと言われています。

また現代医学においても影の概念はX線撮影や断層撮影などの技術の根幹となっています。

X線やその他の電磁波が体内に照射されて「影」を作り出し、医師たちはその影の形を見て腫瘍の存在などを判断することができます。

そのため私たちは一般に、影は質量を持つ物体によって光が遮られて作られる「暗い領域」と定義しています。

しかしオタワ大学の研究者たちは今回、質量を持たないレーザー光線であっても、条件さえ適切ならば影を作れることを示しました。

光で光の影を作ることは可能

通常、光は互いに相互作用せず、ましてや影に必要なほど互いに遮り合うことはありません。

よく晴れた日に懐中電灯をつけても、光線の下に影ができないのは誰もが見たことがあるでしょう。

SF「スターウォーズ」ではライトセーバー同士を打ち合わせるシーンが描かれますが、光の特性からすればライトセーバーはお互いにすり抜けてしまうのです。

しかし最近の研究では、光が通過する空気や水に代表される「媒体」に対して影響を与えることで、結果として光子間の相互作用を起こせることが明らかになってきました。

たとえば非常に強力な光は真空に対して分極を誘発させ、別の光が通過するはずの場に影響を与えると理論的に予測されています。

また特殊なガス（リュードベリ原子など）では原子が光の相互作用の仲介人として機能し別の光に影響を及ぼすことが実証されました。

さらに量子力学の不思議さを代表する二重スリット実験においては、1つの光子が左右2カ所のスリットを同時に通過し、左を通過した場合と右を通過した場合が互いに干渉を起こし背後のスクリーンにしま模様を形成することが知られています。

同じく量子力学の実験で有名なホン・オウ・マンデル干渉では、光子が干渉することで光子の密集が発生することが示されています。

このように人類の光子そのものや光が伝わる媒体に対する理解や技術が発展することで、適切な条件ならば光同士の相互作用と言っていい状態を作り出すことが可能になってきました。

そこで今回、オタワ大学の研究者たちは光の媒体としてルビーを使うことで、レーザー光線に影を落とさせる方法を考案しました。

実験装置は上の図（左）のように、第1の青色のレーザー光線と第2の緑色のレーザー光線をルビーの内部で直行させるように配置されています。

すると図の右に示すように、緑色のレーザーが通過した部分が青色の光を遮り、背後のスクリーンに影を落としていることが判明します。

また驚くべきことに、この様子は肉眼でも捉えることができ、緑色のレーザーを移動させると影も連動して動く様子が観察されました。

次のページでは「光が光の影を」作る仕組みを、ルビーの性質と共に解説します。