電磁波発見の歴史

　自然科学分野における電磁波発見の歴史について説明する。表1に電磁波発展の歴史を示す。電磁波とは電気現象と磁気現象が互いに関連しあう現象である。また、光は電磁波の一部であり、電磁波そのものであるが、人間の目で見えるため、その性質の考察は電磁波全容の解明とは独立して、それ以前から進められていた。以下では重要なものをとりあげて説明する。

　紀元前7世紀頃、古代ギリシアの植民地の小アジア西岸、イオニア地方のマグネシアで天然磁石が産出されたと言われ、これより磁石はマグネットと呼ばれるようになったそうである。

　紀元前6世紀頃、ギリシアのターレスにより、琥珀をこすると物を引き付ける作用がある（静電気）ことが発見される。自然界には天然磁石が存在するため、電気現象よりも磁気現象の考察・研究が進んだ。また、光も目に見えるため直進性、反射の法則などは紀元前から知られていた。

　それから中世ヨーロッパでは磁力には魔術的、呪術的な色彩がまとわりついていたが、13世紀になるとヨーロッパに磁気羅針盤が伝わり、風車や水車などの使用による産業革命（現代からするときわめて緩やかであるが）による余剰と都市化により経済的余裕ができ、再び学術の発展が始まる。ペレグリヌスは最初の実験物理学の論文とも言うべき「磁気書簡」を著している。

　1600年以前にも磁気羅針盤は実用化されていたが、1600年頃にギルバートが地球が磁石だと気づいたというのは、1522年にマゼラン（ポルトガル）が達成した世界一周の航海により、地球は丸いということを知っていたからだと思われる。

　その後、1600年代は光に関する研究が盛んになり、スネルの法則（光の屈折の法則）、フェルマーの原理（光の反射・屈折の法則）、光速などの実験による経験則が得られる。しかし、これらはあくまで経験則であり、微視的にはどのような原理でそうなっているのかはまだわかっていない。この解明は後の1864年のマクスウェルの方程式の登場を待たなければならない。また、1687年にはニュートンが運動の法則と万有引力の法則を発見し、古典力学の基本法則が見出されていった。

　1700年代に入ると、ライデン瓶の発明で電気を蓄えることができるようになり、電気力の研究が進んだ。電荷間の力は距離の逆2乗に比例するというクーロンの法則も発見される。

　1800年代になると再び光の研究が進み、ヤングが行った光の干渉の実験から光は波動であると考えられた。また、偏光角（ブリュースター角）や反射・透過係数の振幅を与えるフレネルの公式も発見された。これらもまだ実験による経験則であり、原理の詳細な説明はマクスウェルの方程式の登場を待つことになる。さらに、1799年のボルタ電池の発明により、直流電流を流すことが可能になり、電流（電荷の流れ）と磁気の関係が発見される。それまでは無関係な現象だと考えられていた電気と磁気がつながったことは大きな進展である。無限長電流が作る磁界を求めるアンペールの法則や、微小電流素が作る磁界を求めるビオ・サバールの法則も発見された。安定した電池が使えるようになったので、電気回路も発達し、オームの法則やキルヒホッフの法則も発見された。時間的に変化する磁界と電流の関係も調べられ、ファラデーの法則（電磁誘導の法則）や自己誘導の法則が発見された。またファラデーはコンデンサについても研究を行い、交流理論の基本素子である抵抗R, インダクタンスL, キャパシタンスCが全てそろった。

　ファラデーが提唱した近接作用論も大きな影響を与えている。電荷間の力は直接に及ぼし合う（この考え方を遠隔作用と言う）のではなく、空間の性質を変化させ、それが広がっていってお互いに力が及ぼされるという考えである。近接作用論から電界という考え方が生まれた。さらにファラデーは1845年に、ある媒質に磁界を印加すると偏光面が回転するファラデー効果を発見し、磁気と光もなんらかの関係があるらしいことを発見した。

　電気、磁気、光は全て関連しそうなことがわかった。1864年にマクスウェルは電磁波発展の歴史の中で非常に重要な仕事を行った。コンデンサ内部の電束密度Dの時間変化は電流Iと同じ働きをする（変位電流）と考えて、アンペールの法則に変位電流も組み込んだ。アンペールの法則は「電束密度Dの時間変化は周囲に磁界Hの渦を作る」と言いかえることもできる。これは、「磁束密度Bの時間変化は周囲に電界Eの渦を作る」と言うファラデーの法則と同じ形をしており、電気(電界E, 電束密度D)と磁気(磁界H, 磁束密度B)は互いに対称な形で結ばれた。しかも、この方程式を解くと、電界、磁界ともに光速の波動となって伝搬するという結果が得られる。これが電磁波と呼ばれるものである。さらに驚くべきことは、電気、磁気の問題が繋がっただけでなく、偶然にも（偶然ではないのだが）電磁波の速度は光速と一致するのである。そこで、マクスウェルは光は電磁波であると予想したのである。この２つのこと、つまり「電磁波の存在」と「光の電磁波説」は一見矛盾なく今までの理論体系に溶け込むように見えるが、まだ数式から導いた思考実験の段階であり、現実世界を対象とする科学では実験によって確認しなければならない。電磁波の存在の確認は1888年のヘルツの実験を待つことになる。

　1870年にはヘルムホルツが電磁波の境界条件を導出した。1875年にはローレンツがマクスウェルの方程式とヘルムホルツが導出した境界条件を用いて光の法則であるフレネルの公式（1823年にフレネルが発見）を数式から導いた。当時、マクスウェルの理論の同調者は少なかったが、マクスウェルの方程式から光速だけでなく、フレネルの公式も得られることで、「光の電磁波説」の信頼性は高まった。

　1888年にヘルツはマクスウェルが予言した電磁波の存在を証明するために実験を行い、電磁波の存在が実験により確認された。ヘルツは実験のみならず理論も得意であり、微小ダイポールが放射する電気力線を著書に描き残している。

　ヘルツの実験装置を改良し、1897年にはマルコーニがイギリス-フランス間の無線電信に成功、続いて1901年にイギリス-アメリカ間の無線電信に成功して無線通信時代の幕開けとなった。

　このように、古典力学、電磁気学、電磁波と発展してきたが、電磁波の理論が確立する頃には、相対性理論や量子論への道が開けていく時代の流れがわかるのが面白い。また、電磁波発見の歴史とともに世界史を眺めると、当然ながら人類社会の発展との関連が見られ、非常に興味深い。