凸レンズでできる像
最近は息子もようやく学びに身が入るようになり、昨日は理科の光の性質のところのプリントを解いてました。
で、息子がわからないということで、光の性質のうち、凸レンズでできる像の場合分け問題のようなものを見せられたのですが、実は僕も中学で習ったはずが、知識としてかなり怪しくなっており、理科の教科書を見ながら、息子と一緒に問題を解いていました。
ただ、教科書は原理を説明しているだけで、ちょっとイメージしずらいので、ChatGPTに聞いてみました。
問：レンズを通した光の屈折について、レンズ、焦点、物体、の距離関係で場合分けして、１０００字以内でわかりやすく説明してください。
答：レンズを通した光の屈折については、レンズと物体の位置関係によって像の見え方が変わります。ここでは、主に凸レンズの場合を考え、焦点距離（F）を基準にして、物体とレンズの距離がどのように影響を与えるかを説明します。
1. 物体が焦点の外側にある場合（2Fより遠い場合）
物体がレンズの2倍の焦点距離（2F）より遠い位置にある場合、レンズを通して実像ができます。この場合、像は物体よりも小さくなり、レンズの焦点距離と2Fの間に上下逆で映ります。これは遠くの風景をカメラで撮影する際に見られるような効果です。
2. 物体が2Fの位置にある場合
物体がレンズの2倍の焦点距離（2F）に置かれると、像も同じく2Fの位置に作られます。この場合、像の大きさは物体と同じで、上下逆の実像ができます。この状況は、望遠鏡や顕微鏡のように、特定の距離で焦点を合わせて等倍で観察したいときに活用されます。
3. 物体が2FとFの間にある場合
物体が焦点距離（F）と2Fの間にあるとき、レンズを通してできる像は物体よりも大きくなり、2Fよりも遠くに実像が映し出されます。このように、物体より大きな像が遠くに形成されるので、拡大鏡として使う場合やプロジェクタで映像を投影する際に、この距離関係が重要になります。
4. 物体が焦点（F）にある場合
物体がレンズの焦点距離（F）にあるとき、屈折した光は平行に進み、像は無限遠にあるように見えます。これは遠くを観察するための望遠鏡の対物レンズのような場合に当てはまります。この場合、レンズの先で像が結ばれることはなく、遠方に平行光線が進むため、レンズの先に像は形成されません。
5. 物体が焦点（F）の内側にある場合
物体がレンズの焦点距離（F）よりもレンズに近い位置にある場合、レンズを通して虚像が形成されます。虚像は実際には存在しませんが、レンズを通してみると大きく拡大されて見えます。このような虚像は、虫眼鏡や拡大鏡などで物体を拡大して見る場合に利用されます。虚像は物体と同じ向きで、レンズの反対側には形成されません。
まとめ
このように、レンズと物体の位置関係によって、像の位置や大きさ、実像か虚像かが変化します。レンズを通した光の屈折は、焦点距離（F）を基準にして、物体の位置がFより外側か内側かで見え方が大きく変わります。
こんなこと、多くの人にとっては当たり前の知識なのかもしれませんが、具体的な利用方法とセットで記憶できておらず、僕にとっては経験則に基づくレンズ機器の利用と、その原理が、人生ではじめてリンクしました。
このあと、無限遠についての質問と、息子も僕も勘違いしやすい「虚像」と「実像」の用語の使い方の理由について質問してから、ちょっと馬鹿なことを聞いてみました。
問：ということは、ブラックホールは至近距離にいて肉眼で見ることができれば、光を発していなくても、虚像として見ることができるということでしょうか？
答：おっしゃるとおり、ブラックホールのように光を発していない天体であっても、虚像として見える可能性があります。しかし、ブラックホールの場合は少し特殊で、光の集まり方や重力の影響により、一般的な虚像とは異なる現象が生じます。
ブラックホールと虚像の関係
ブラックホール自体は光を発しませんが、非常に強力な重力場を持っており、その周囲を通る光を大きく曲げます。この現象は「重力レンズ効果」と呼ばれ、ブラックホールの背後にある星や銀河の光がブラックホールの重力で曲がり、あたかもブラックホールの周囲に像が形成されたかのように見えます。このように見える像は、実際にその位置に物体があるわけではないため、虚像と考えることができます。
ブラックホールの虚像が見える理由
ブラックホールの強力な重力によって光が曲がることで、通常は視界に入らないはずの遠くの天体がブラックホールの周囲に歪んだ形で見えます。このような虚像は、「重力によって視界が歪められて作られた仮想的な像」ということができます。宇宙の中でブラックホールが背景にある光を曲げ、リング状や複数の像として見えることがあり、この現象は「アインシュタインリング」としても知られています。
実際にブラックホールを見ることができるか？
ブラックホール自体は光を吸収してしまうため、真っ黒な円形のシルエットとして見えます。これは「事象の地平面」と呼ばれ、そこからは一切の光が逃げられない境界です。しかし、ブラックホールの近くを通過する光や、周囲のガスが放つ光などが重力レンズ効果で曲げられることで、その周囲に虚像が生じます。この虚像は、ブラックホールを直接見ることはできなくても、ブラックホールの存在やその形を間接的に観測する手がかりとなっています。
まとめ
ブラックホールの虚像は、通常のレンズや鏡による虚像とは異なり、ブラックホールの強力な重力が光を曲げることで見えているものです。ブラックホールを肉眼で見ることができたとしても、実際にはそこにあるわけではない像（虚像）が周囲に見えるでしょう。これは宇宙の特殊な現象であり、一般のレンズや鏡で見る虚像とは異なりますが、基本的な考え方としては「見えないはずのものが光の曲がりで見える」という点で類似しています。
なるほど。ブラックホールをなぜ発見できるのかについては、何冊か宇宙論の本とかを読んでいても、僕自身、よくわかっておらず、何となく「宇宙空間に光のない領域が観測できるからなのかな」ぐらいにしか捉えていませんでした。
今回、息子の中学の勉強を契機に、ブラックホールの理解を深めることができました。