光の反射は微視的には何が起きているのか

問いは木下が出したもので、答えは Claude Code と調べて書いたものです。

そもそも反射ってなんなんだっけ、微視的にはなにが起きているんだっけ。。

A. 跳ね返る粒子がいるわけではない。入射光の電場が物質中の電子（ガラスなら原子に縛られた電子、金属なら自由電子）を同じ振動数で揺らし、揺れた電荷が双極子放射で光を出し直す。反射光は、この無数の電子が出し直した光の重ね合わせである。

重ね合わせると、物質の中では出し直された光が入射光をちょうど打ち消し、代わりに遅い波（屈折光）を作る（エワルト–オセーンの消光定理）。外側へ向かう光は、表面から波長くらいの深さまでの電子の寄与が打ち消し合わずに残る。表面上の各点の振動の位相は入射波が決めているので、強め合うのは境界に沿った波数がそろう向きだけで、これが「入射角＝反射角」になる（2026-10-02 の全反射の回の①と同じ理由）。

どれだけ反射するかは、電子がどれだけ強く応答するかで決まる。垂直入射の反射率は $R=\left(\frac{n-1}{n+1}\right)^2$ で、ガラス（屈折率 1.5）なら約 4% である。金属では自由電子が電場にほぼ追随して打ち消すので、プラズマ振動数より低い光は中へ進めず、ほとんどが返る。銀はプラズマ振動数が紫外にあるので、可視光をまんべんなく返して鏡になる。

なお群論の「反射」（鏡映 $\sigma$）は物理的な出来事ではなく、点を $(x,y)\mapsto(-x,\,y)$ と写す写像である。写した後の分子が元と重なるかを問うているだけで、物質の中では何も起きていない。