光はそこら中で交差しているのに、なぜ世界はぼやけないのか？

部屋の中を見渡すと、机も壁も人の顔も、それぞれ別々のものとして見えます。

当たり前のようですが、少し考えると妙です。

机から来た光。
壁から来た光。
天井から来た光。
人の顔から来た光。

それらは全部、同じ空間の中を飛んでいます。

途中では、いろいろな光が何度も交差しているはずです。

それなのに、どうして世界はぐちゃぐちゃに混ざって見えないのでしょうか。

「物が見える」までは分かる。でも、その先が変だ

はるか

「かなた、こんな質問が来ていたわ。『物は、なぜ見えるんですか？』」

かなた

「光が目に入るから、だろ？ 光源から出た光が物に当たって、それが目まで飛んでくる」

はるか

「大まかには、その理解でいいと思うわ」

かなた

「……いや、待てよ。光って直進するって習ったよな」

はるか

「ええ」

かなた

「でもこのリンゴ、正面からも右からも左からも見える。光がまっすぐ一本だけなら、見える場所は一か所だけのはずだろ」

はるか

「一本だけ、と考えるからおかしくなるのね。リンゴの一点からは、光が一方向じゃなくて、たくさんの方向へ出ている。その一本一本が、それぞれまっすぐ進むの」

かなた

「で、俺がいる場所へ向かってきた分だけが、俺の目に入る」

はるか

「ええ。立つ場所を変えれば、今度はそっちへ向かった別の光を拾うことになる」

Fig01｜一点から多方向へ出た光は、それぞれ直進して異なる観察位置へ届く。

かなた

「直進と四方八方は矛盾しないのか。……でも、それはそれでおかしくないか？」

はるか

「どこが？」

かなた

「机からも壁からも、人の顔からも光が飛んでるわけだろ。だったら空間の中って、いろんな光がそこら中で交差してるはずじゃん」

はるか

「ええ。実際、そうなっているわ」

かなた

「じゃあ、なんで混ざらないんだ？」

はるか

「……なるほど」

かなた

「赤も青も同じ場所を通ってるなら、全部混ざって、世界はもっとボヤッとした一色の塊に見えてもよさそうなんだけど」

はるか

「つまり問題は、『なぜ物が見えるのか』ではなくて――」

かなた

「光が交差しているのに、なぜ像が混ざらないのか」

光は、本当に空間中で交差している

まず、ここは疑わなくていいところです。

物体に光が当たると、その光の一部はさまざまな方向へ進みます。

たとえば赤いリンゴを見ているとき、リンゴから目だけに向かって一本の光が伸びているわけではありません。

リンゴからは、多数の方向へ光が出ています。

隣に青い本があれば、本からも同じように多くの方向へ光が出ています。

そのため空間中では、リンゴから来た光と、本から来た光が何度も交差します。

かなた

「ほら。やっぱり混ざってるじゃん」

はるか

「“同じ場所を通っている”という意味ではね」

かなた

「それ以外に何があるんだ？」

はるか

「同じ場所を通ったからといって、そこで全部の情報が消えるわけではないの」

かなた

「情報？」

はるか

「光が、どの方向から来たかよ」

「同じ場所にある」と「同じ光になる」は違う

ここが最初の転換点です。

光について考えるとき、つい「今どこにあるか」だけを考えてしまいます。

でも光には、位置だけではなく方向があります。

同じ一点を通っていたとしても、

• 左から右へ進んでいる光

• 右から左へ進んでいる光

• 上から斜め下へ進んでいる光

は、同じではありません。

空間の一点でたくさんの光が交差していても、それぞれが持っている方向まで自動的に同じになるわけではないのです。

色（波長）も同じです。赤い光と青い光が同じ点を通っても、そこで一つの色の光に変わってしまうわけではありません。

Fig02A｜最初の仮説：赤と青が重なると、元の成分まで一つの紫へ変わるのだろうか。

Fig02B｜重なった赤と青は別の波長成分として残る。合波する光学素子で向きをそろえても、周波数が一つへ変わるわけではない。

かなた

「じゃあさ。道路の交差点みたいな感じか？」

はるか

「どういう意味？」

かなた

「人が同じ交差点を通っても、全員が一人の人間に融合するわけじゃない」

はるか

「かなり乱暴だけど、今の問題を考えるには悪くないわ」

かなた

「同じ場所を通っただけじゃ、まだ区別は残ってる」

はるか

「そう。少なくとも、交差したという理由だけで像情報が消えるわけではないの」

でも、壁は乱反射する

ここで、別の疑問が出てきます。

かなた

「待てよ」

はるか

「何？」

かなた

「壁って乱反射するんだろ？」

はるか

「するわね」

かなた

「だったら方向はバラバラになるじゃん」

はるか

「ええ。すりガラスの向こうがぼやけるのは、そのせいね」

かなた

「でも、でこぼこの壁だって乱反射してるだろ。なのに壁紙の凹凸はくっきり見える」

はるか

「……確かに」

かなた

「さっきの説明だけだと変じゃないか？ それとも目が、真正面から来たごく細い光だけを選んで拾ってるとか？」

はるか

「それだと説明がつかないわ。瞳には大きさがあるから、壁の一点から来た光も、ある程度の広がりを持ったまま入ってくる。……さっきは“方向が散る”ことと“像が見えなくなる”ことを同じ扱いにしていたわね。そこは分けないと」

ここで一度、説明を修正する必要が出てきます。

「方向が散ること」と「像が見えなくなること」は、同じではありません。

すりガラス“自体”は見えている

かなた

「……待てよ。すりガラスだって、表面自体は見えてるよな。表面にペンで字を書いたら、その字はくっきり見える」

はるか

「ええ。でも、その数センチ後ろにいる人はぼやける」

かなた

「壁を見るときは、光を散らしてる面そのものを見てる。すりガラス越しのときは、散らす面より奥を見ようとしてる」

はるか

「そう。崩れているのは散乱面そのものじゃなくて、その奥にあるものの像ね」

Fig03A｜粗い壁の表面を見ている。方向へ散ることと、壁の点同士が混ざることを分ける。

Fig03B｜すりガラスの表面にある文字と、その奥にある物体の像は違う条件で見ている。

壁そのものが見えることと、壁に像が映ることは別

粗い壁に光が当たると、光は多くの方向へ散乱します。

それでも壁の表面は見えます。

粗い壁を見るとき、私たちが見ている対象は、光を散らしている壁の表面そのものだからです。

一方、すりガラス越しに人を見るとき、見たい対象はすりガラスより奥にあります。人のそれぞれの点から来た光は、すりガラスを通るときに向きを大きく乱されます。そのため、奥にあった位置と方向の対応が崩れます。だから、すりガラスの表面に書いた文字はくっきり見えても、その後ろの人はぼやけます。

鏡の場合は、また別のことが起きています。

鏡では、鏡そのものが見えるだけでなく、鏡の向こう側に景色があるように見えます。

これは、入ってきた光と出ていく光の方向の対応が、規則的に保たれているからです。

壁では、その対応が大きく崩れます。

だから壁そのものは見えても、鏡のような像は作られません。

かなた

「なるほど。“光が散る”って一言で済ませるから分からなくなるのか」

はるか

「そうね。重要なのは、何が散ったかではなく、何の対応関係が残っているかなのよ」

かなた

「鏡は、向こうから来た光の方向関係までかなり保存する」

はるか

「そう考えると整理しやすいわね」

プロジェクターで考え直す

かなた

「じゃあさ、プロジェクターはどうなんだ？ 粗い壁に画像を映しても、ちゃんと絵として見えるだろ」

はるか

「そうね。あれは、画像の各位置に対応した光を、それぞれの方向へ送り出している」

かなた

「でも俺が見てるのはプロジェクターじゃなくて壁だ。しかも壁は乱反射する」

はるか

「ということは二段階ね。プロジェクターから壁の各位置へ。そして、壁の各位置から目へ」

かなた

「壁のAに赤い画素が当たれば、Aから赤い光が目に来る。Bに別の画素が当たれば、Bから別の光が来る」

はるか

「ええ。壁が自分で光り出すわけじゃないけど、壁の各点が、そこで反射・散乱したあとの光の“新しい出発点”になっているのよ」

かなた

「Aで光がどっちへ散っても、Aから来たことは変わらないのか」

はるか

「そう。ピントの合った壁面の模様を見るなら、そこから光が多方向へ散っても、各点の区別は保てる」

かなた

「逆に、Aに当たった光が壁の中で横に広がって、BやCまで光らせたら？」

はるか

「隣の画素と混ざって、像はぼやける。散っているのが方向だけか、位置まで混ざっているのか。そこが分かれ目ね」

プロジェクターの像を見るとき、光の経路は二段階になっています。

プロジェクター → 壁の各位置 → 目

壁の各点は、そこで反射・散乱したあとの光の出発点として振る舞います。目から見れば、Aから来た光はAの情報を、Bから来た光はBの情報を運んでいます。

ここで見ているのは、プロジェクターがピントを合わせて壁面に作った明暗と色の分布です。その面からの光が多方向へ散っても、面上の各点が混ざらず、目がその面にピントを合わせれば模様は見えます。

一方、光が面の内部を横へ広がって隣の位置を照らす場合や、観察する目のピントが外れている場合には、像はぼやけます。薄いすりガラスに焦点を合わせて投影すれば、面上の分布が保たれる範囲で透過側からも模様が見えます。これは、すりガラスより奥の人を透かして見る場合とは条件が違います。

Fig04｜投影面上の明暗分布を見ることと、散乱面の奥の物体を見ることを比べる。薄い拡散板への投影像は条件次第で透過側からも見える。

本題から離れる｜そもそも、光はなぜまっすぐ進む？

ここから話は、本題から大きく離れていきます。

かなた

「……なあ。さっきから『Aから出た光がまっすぐ目に来る』って当たり前に言ってるけど」

はるか

「ええ」

かなた

「そもそも光って、なんでまっすぐ進むんだ？ 壁で散ったあとも、またまっすぐ進むし」

はるか

「前提そのものね。均一な物質の中では、波面がそろったまま前へ進むから、進む向きが変わらない。向きが変わるのは、屈折率が変わる場所や、反射面のように物質が光に応答する場所よ」

かなた

「でも空気だって物質だろ。酸素や窒素の分子に、ぶつかったりしないのか？」

はるか

「散乱はゼロじゃないわ。ただ、部屋の中くらいの距離ならごく小さいから、方向の情報は十分残る」

かなた

「じゃあ霧は？ 霧の日は遠くが見えなくなる」

はるか

「水滴での散乱が強くなるのよ。遠くから来た光ほど途中で何度も向きを変えられて、どこから来たかの対応が崩れる」

かなた

「光がなくなるわけじゃない。対応が崩れるから見えなくなるのか」

はるか

「ええ。霧の中でも、あたりは明るいでしょう」

かなた

「もう一個引っかかってる。一点から出た光って、球みたいに広がるって言うよな」

はるか

「球面波ね」

かなた

「半径が大きくなれば、球の表面積も大きくなる。だったら光は、前に進むだけじゃなくて、横にも引き伸ばされてないとおかしくないか？」

はるか

「風船の膜なら、そうね。でも波面は物質の膜じゃない。電磁場そのものは物理的に存在するけど、波面はその状態がそろっている場所を結んだ面なの」

かなた

「じゃあ、広がって見えるのは――」

はるか

「放射状にいろんな方向へ進む成分同士の間隔が、開いていくから。どの成分も、自分の方向へまっすぐ進んでいるだけよ」

かなた

「……待てよ。じゃあ光子が一個だけだったら？」

はるか

「？」

かなた

「一個の光子も球面状に広がるなら、遠くまで飛んだ一個は、巨大な殻になってるのか？」

はるか

「……」

かなた

「それに、どこか一点で検出されたら、残りの部分はどうなるんだ？ 殻の一部だけが鏡に当たったら、反射する分と直進する分に分かれるのか？」

はるか

「そこまで来ると、古典的な“光の塊”のイメージは使えないわね。一個の光子を、大きさを持った三次元の物体のように考えると、検出の話と噛み合わなくなる」

かなた

「じゃあ、一個の光子の本当の姿は？」

はるか

「量子状態、空間モード、測定……そこから先は量子論の話になる。正直、ここで決着はつけられないわ」

かなた

「行き止まりか」

はるか

「いったん保留にしましょう。この枝を解いてからでないと“見る”に戻れない、というわけじゃないもの」

日常の「見る」へ戻る

かなり遠くまで来ましたが、ここで日常の「見る」へ戻ります。

かなた

「……で、だいぶ遠くまで来たけど」

はるか

「戻ってみましょうか。今の目で見ると、最初の問いはどう見える？」

かなた

「最初は『光が目に入るから見える』で終わってた。でも今は、空間に完成した絵が浮かんでるわけじゃないって分かる」

はるか

「ええ。空間にあるのは、どの位置から、どの方向へ、どんな色の光が、どれだけ進んでいるか。そういう光の分布ね」

では、目は何をしているのか

ここで、もう一つ重要なものが登場します。

目のレンズです。

目は、入ってきた光をただ全部まとめて受け取っているわけではありません。

ピントが合っている物体の一点から、瞳のいろいろな場所へ届いた光は、角膜と水晶体の作用で網膜上の対応する小さな領域へ集まります。別の物点から来た光は、別の領域へ。

目が一本だけの光を選ぶのではなく、有限の幅を持った光束から像を作っているのです。遠い物体では、届く方向の違いが網膜上の位置の違いにほぼ対応します。

つまり、空間中で光が交差していること自体は問題ではありません。

重要なのは、目に届いた時点で

「どの方向から来た光なのか」

という関係を利用できることです。

Fig05｜眼を一枚の薄レンズで表した模式図。同じ物点から有限の瞳を通った光束が、対応する像点に集まる。光は物体から眼へ進む。

かなた

「ああ。そういうことか」

はるか

「何かつながった？」

かなた

「最初は、光が空間で混ざってるのに、なんで像が混ざらないんだって考えてた。でも実際には、“空間で重なってる”こと自体は問題じゃないんだな。目に来たときに、どの方向から来たかを使って分け直せる」

はるか

「ええ」

かなた

「ってことは――」

はるか

「？」

かなた

「世界がぼやけないのは、光が混ざっていないからじゃない。混ざっているように見える空間の中でも、像に戻せる関係がまだ残っているからか」

はるか

「そうね。逆に言えば、すりガラスや霧みたいにその関係が途中で崩れると、像はぼやける」

Simulator｜重なっている光から、像を作る

光の交差と結像を3Dで確かめる

まず壁だけの受光面を見てから、ピンホール、レンズへと切り替えてみてください。空間中の交差を消さなくても像が現れます。開口を広げたときと、レンズのピントを変えたときも比べます。ここでは幾何光学で位置と方向の対応を追います。細かな干渉や回折を計算するモデルとは分けています。

Deep Dive｜「光が交差する」とは、何が重なっているのか

ここまでの話では、光線を線として描いてきました。

ただし、本当の光は細い線そのものではありません。

光線は、光がどの方向へ進んでいるのかを分かりやすく描くためのモデルです。

実際の空間では、非常に多くの光が同時に存在しています。

それでも、通常の光同士は、単に同じ場所を通ったからといって互いの進行方向や色（波長）を変えてしまうわけではありません。

そのため、

多数の光が同じ空間を共有しながら、それぞれの伝播を続ける

ことができます。

だから、

「空間中には無数の光が存在している」

ことと、

「世界がぐちゃぐちゃに見える」

ことは、まったく同じ意味ではありません。

最初の問いに戻る

最初の疑問はこうでした。

光はそこら中で交差しているのに、なぜ世界はぼやけないのか？

答えは、単純に「光は混ざらないから」ではありません。

光は同じ空間を通ります。

何本もの光が交差します。

でも、その時点で像に必要な関係がすべて失われるわけではありません。

光が持つ位置と方向の対応が残り、目やレンズがその対応を利用して像を作る。

だから私たちは、空間中に無数の光が飛び交っているにもかかわらず、

机を机として、
壁を壁として、
人の顔を人の顔として、

見ることができます。

かなた

「なんか面白いな」

はるか

「何が？」

かなた

「最初は、世界がちゃんと見えてることを当たり前だと思ってた」

はるか

「今は？」

かなた

「むしろ、こんだけ光が飛び交ってるのにちゃんと見えてる方が不思議に見える」

はるか

「いいんじゃない？ 疑問が一つ解けて、別のところが不思議に見えるなら」

かなた

「じゃあ次はさ」

はるか

「まだあるの？」

かなた

「さっき保留にした光子の話。結局、1個の光子って、どれくらい大きいんだ？」

はるか

「……やっぱりそこへ戻るのね。それは、量子論の準備をしてからにしましょう」

次の問い

1個の光子は、どれくらい大きいのか？

今回の探索では、球面波の広がりを追いかけるうちに、一個の光子の話へ行き着きました。

一個の光子が空間に広がっているとは、どういうことなのか。

一点で検出されたとき、広がっていた部分はどうなるのか。

この問いは量子状態や測定の話へつながるため、本記事ではいったん保留にし、別の記事で扱います。

説明の範囲と参考資料

ここでは日常的な強さの光、通常の線形媒質、幾何光学で像を扱える大きさを考えています。位相関係がそろう光では干渉縞が現れますが、それは各場の重ね合わせから生まれる強度の分布です。交差によって光の向きや波長が不可逆に融合することとは区別します。一光子の寄り道は、この古典的説明だけで決着したことにはしていません。

光の交差と幾何光学：Feynman Lectures I–26／眼の結像：OpenStax 2.5／すりガラスの背面投影用途：Edmund Optics