光について

質問

光は、質量は、ありますか。もしあるとしたらどのくらいですか。
色は、何色になりますか。

回答No.9

Hikaru99 · ベストアンサー

光の質量を考えるには、光の本質を理解したうえで、アインシュタインの相対
論を理解しなければなりません。まずは、光の波動説と粒子説までさかのぼっ
て考えると分かりやすいでしょう。

・光の波動説と粒子説

光は波動か？粒子か？、歴史上の多くの物理学者たちが、この疑問の解明に取
り組みました。光の反射、屈折などが、波動説・粒子説の立場で説明されまし
たが、最初に軍配をあげたのは波動説でした。光が干渉を起こす現象が粒子説
では説明できなかったからです。このため、しばらくの間は光は波動であると
信じられてきました。ところが、光電効果という現象が見つ
かりました。光電効果は真空中の金属に紫外線などの短い波長の光を当てると
金属内の自由電子が外へ飛び出してくる現象です。光電効果を詳しく調べてみ
ると、興味深い現象がいくつか見つかりました。

(1) 電子は光があたったとたんに金属の外へと飛び出してくる。
(2) 光の波長を変えて実験してみると、飛び出してくる電子の運動エネルギー
　　は光の波長が短いほど大きい。
(3) ある波長より長い波長の光では、光の明るさをいくら強くしても電子は飛
び出してこない。
(4) 電子が飛び出してくる波長の光では、光の明るさに関係なく光が飛び出し
てくる。
(5) 光の明るさを強くしても飛び出してくる電子の運動エネルギーは変わらず、
　　飛び出してくる電子の個数が増加する。

電子の運動エネルギーが光の強さに無関係という結論が、光の波動説に大きな
衝撃を与えました。光が波なら光を強くすれば光のエネルギーが大きくなり、
飛び出してくる電子のエネルギーも大きくなるはずだからです。また、光が波
なら、いかなる波長の光でも、明るさを強くするか、あるいは十分に時間をか
ければ、電子はエネルギーを蓄積して金属の外へ飛び出してこなければなりま
せん。しかし、結果は予想に反したのです。光の波動説はここで大きくつまづ
くことになりましたが、一方で波の性質を示す光を目の前にして多くの物理学
者が頭を悩ませました。
　この光電効果の不思議な現象を正しく説明したのがアインシュタインでした。
彼は一九〇五年に「光はその振動数に比例したエネルギーをもつ粒子（光子ま
たは光量子）である」という光量子説を発表し、光電効果から光の正体を解き
明かしました。彼は光が弾丸のような粒子だったら、(1) のように、光がぶつ
かったとたんに電子が飛び出してくるのは不思議ではないと考えました。また、
光は振動数に応じたエネルギーをもつ粒子であるため、光の明るさを強くして
も光子一個のエネルギーは変わらないと考え、(2)～(4)の現象を説明しました。
さらに光の明るさが強くなるということは、光子の数が増えることであると考
え、(5) の現象を説明したのです。アインシュタインが、光が粒子の性質と波
の性質をあわせ持った光子であることを見事に結論づけたことによって、光の
波動説と粒子説の論争に終止符が打たれることになったのです。
　相対性理論で有名なアインシュタインですが、アインシュタインは、この光
量子論でノーベル賞を受賞しています。光量子論によって、光は粒子であると
結論づけられました。はたして粒子である光には重さがあるのでしょうか？

・光には重さがあるの？

　私たちは、地球上では物体が落下することを知っています。ニュートンが木
からリンゴが落ちるのを見て、重力に気がついたという話は有名ですが、質量
がある物体はすべて重力で地面に落下します。光は粒子ですが、重力で落下す
るのでしょうか？落下するのであれば質量があると言えるのではないでしょう
か？
　光電効果の結果を元に、アインシュタインは光の研究を行います。彼は、特
殊相対性理論の中で、質量とエネルギーは同等であり、エネルギーＥと光の速
度ｃと質量ｍの間には、Ｅ＝ｍｃ^２ の関係があることを導き出したました。
粒子である光がエネルギーをもてば、光は必ずこの式によって求められる質量
をもつことになります。ところが、ここでいう質量は、あくまでもこの式で換
算された、あるいは観測される質量であって、これを物理では観測質量といい
ます。アインシュタインは自ら導き出した特殊相対性理論のＥ＝ｍｃ^２ の結
果から、光も重力で曲がるのではないかと考えたのです。彼は、この考えを一
般相対性理論の中でまとめています。彼は、大きな質量の物体のまわりでは、
大きな重力が働き、空間が歪むと考えたのです。ここでそのイメージをつかみ
ましょう。まず、ネット（網）を広げた状態を想像してください。網の目は等
間隔に並んでいます。このネットの上に、鉄のボールなどを置くと、ネットは
ボールを中心にして、すり鉢状に歪みます。網の目も歪んでいると思います。
このネットの網目が重力の等高線というわけで、重い物体のまわりでは、網目
が歪んでいるように、空間も歪むというのです。光は空間を真っ直ぐに進みま
すが、歪んだ空間では、光もこの歪みにそった道筋で進むことになります。光
自身は真っ直ぐに進んでいると考えても、空間が曲がっているのですから、光
の進む道筋は曲がることになるのです。この彼の考えは、皆既日食のときに証
明されました。太陽の側を通る光の道筋が曲がっていたことが観測されたので
す。すなわち、光は重力によって曲がったことになります。または、光は空間
に歪みに沿って進んだといっても良いでしょう。これによって、光にはそのエ
ネルギーと同等の質量（観測質量）があるということが証明されました。
　ところで、私たちが物体の質量を考えるときには、物体は静止しています。
この静止した物体の質量を静止質量といいます。ボールなどの物体の質量だけ
でなく、光のような素粒子の質量は静止質量で表します。光はそのエネルギー
と同等な観測質量を持っていますが、静止したときの質量というのはどう考え
たら良いでしょうか。相対性理論では、速さｖで運動する物体の観測質量ｍは、
静止質量ｍ0と、ｍ＝ｍ0/(1-v^2/c^2)^(1/2) という関係にあり、光子の静止質
量はゼロとなります。

・光の色について

光は電磁波ですが、単に光というと、電磁波の中でも、私たちの目に見
える可視光線のことを言うこともあります。ご質問は後者の方だと思い
ますので、その観点から説明しましょう。

ひとくちに光の色といっても、私たちが目で見ている「色」と、物理的な意味
としての「色」があります。私たちが目でどのように色を見ているのかは、私
たちの視細胞に関係しています。私たちの目には、赤・青・緑を感じる細胞が
あります。私たちの目に光が入ったときに、それぞれの細胞にどれぐらいの強
い刺激があったのかで色が決まります。
　私たちが物を見るとき、一般的には、日中は太陽光のもと、夜間では蛍光灯
などの電灯のもとですね。太陽光や蛍光灯は、いろいろな色の光（物理的な意
味での光の色。単色光）が含まれています。ものに光が当たったときに、それ
ら全ての光が吸収されるというわけではないというのはご存知だと思います。
特定の波長の光が吸収され、それ以外が反射されることになります。吸収され
なかった光、すなわち反射されて光を私たちが見ているわけです。青いものが
青く見えるのは青い光だけを反射しているからというのは誤りです。青い物体
が青く見えるのは、白色光が青い物体にあたって、青い物体が黄色い光を吸収
し、それ以外の光を反射するからです。従って、青い物体から反射されている
光は、青い光ではなく、白色光から黄色系統の光を欠いた光です。その光が青
色に見えるというわけです。ちなみに赤いリンゴが赤く見えるのは、赤色のリ
ンゴがシアンの光を吸収するからで、私たちはリンゴから反射されるシアンを
欠いた白色光を見て、赤色であることを認識しています。そのため、赤いリン
ゴにシアンの光だけを当てると、反射する光がないので私たちの目には黒に見
えます。バナナが黄色いのは、バナナが青い光を吸収するからです。

黄色を私たちが感じる場合には以下の２つがあります。

１．物体から黄色い光が出ている場合
２．物体から赤と緑の光が出ている場合（三原色でできる黄色）

　１の例は、トンネルなどの照明で使われている黄色いランプです。
２の例はパソコンやＴＶの画面で見ている黄色です。１は黄色い光が含まれて
いますが、２は黄色の光は含まれていません。赤と緑の光が合わさって、黄色
に見えています。
　それでは黄色い物体が黄色に見えるのはどういうしくみでしょうか。物体の
色は、先にもご説明したとおり、白色光から特定の光が吸収されて、それ以外
の反射した光によって決まります。黄色い物体の場合は青い光を吸収している
のです。

白色光を三原色で作ると、

赤＋青＋緑＝白・・・・１式

です。黄色は

赤＋緑＝黄・・・・・・２式

ですから、２式を１式に代入して、整理すると

黄＝白－青・・・・・・３式

となります。すなわち、物体が黄色に見えるのは、白色光から青の光が吸
収されるからです。残った光が反射されて、それが黄に見えるということ
です。そうすると、私たちが黄色を感じる場合として、

３．物体に白色光があたり、青の光が吸収されている場合

が加わります。

　さて、物理的な「色」は、光の色そのものを意味します。光の色は波長、
すなわち光子の振動数によって決まります。上でいうと１のケースです。
高速道路やトンネルで使われている黄色いランプはナトリウムランプとい
いますが、これは黄色の単色光です。ＬＥＤなどの光の色も、物理的でい
うところの光の色であり、その光の波長はその色の単色光の波長に相当し
ているわけです。

参考：光と色の１００不思議（東京書籍）
　　　第２章　光を感じる仕組み・色を見る仕組み
　　　第３章　光と色の正体をさぐる

参考URL：

http://homepage1.nifty.com/kuwajima/lac100/

回答No.10

stomachman

No.9について、大変立派な解説だと思います。でも、ちょっと誤解もあるようです。

> 落下するのであれば質量があると言えるのではないでしょう か？
　ニュートン力学でも質量０の粒子は落下します。アインシュタインの特殊相対性理論では、その落下がニュートン力学で予想される値の丁度２倍になるんです。（一般相対性理論を持ち出すまでもありません。）
　なお、「静止質量」「観測質量」といった用語は特殊相対性理論・一般相対性理論の帰結をニュートン力学の言葉で再解釈しようという試みのなかで発生した一時しのぎの概念であって、論理的整合性を持っていません。つまり、質量にあれこれ種類などありません。

回答No.8

stomachman

回答No.3にある通り、「光」と呼んでいるものは、人が目で見ることが出来る波長領域の電磁波のことを指します。 電磁波は「光子」という粒子で出来ています。そして、光子の質量は0です。

　それぞれの光子は特定の「波長」を持っています。
　波長が長いものから順に、「電波」「赤外線」「可視光」「紫外線」「Ｘ線」という風に名前が違いますが、「光子には５種類ある」という訳ではなく、（丁度、何メートルの高さの木があるか、と問うのと同じように）波長の長さは連続的です。（細かいことを言えば、これらの区分の中にもさらに細分化された名前があります。）しかし、可視光の範囲にある波長は「目に見える」という著しい特徴を持っていますね。
　可視光である光子の波長はNo.5にある通りです。

　可視光のうち、波長が長いものが人の目の網膜にぶつかると赤く見えます。波長の短いものだと紫色にみえます。可視光のうち波長が長いものから短いものまで、色を並べて見せてくれるのが虹です。「虹の七色」なんて言いますけれど、きちんと七つに分かれて見える訳じゃありませんよね。虹の外側から内側へ見ていくと、じわじわと色が変化して見えます。だから、「色が何色あるか」と問われれば、確かに「幾らでも」と答えるしかありません。

　だったら「色」とは「光子の波長」のことなのか？「どんな色でも、それに対応する波長があるのか」というと、これは全くの間違いです。
　光を目で見るというのは、沢山の光子が次々と目の網膜にぶつかるということです。大抵の場合、これらの光子の波長はそれぞれ異なっています（レーザー光線は例外で、光子の波長がみな同じです）。どのぐらいの量の光子が目の網膜にぶつかっていて、そのうちどのぐらいの波長の光子がどの位の割合で含まれているか、ということによって色が決まります。
　たとえば「白色の波長」だの「茶色の波長」というものはありません。いろんな波長の光子が混ざり合ってぶつかってくる状態が「白色」や「茶色」に感じられるんです。

　では、いろんな波長の光子が混ざり合って目に飛び込んだとき、どんなふうに色が決まるのか？これは光の性質ではなくて、人の目の仕組みによって決まるのです。つまり「色」というのは物理ではなく、生物学の問題なのです。
　詳しく説明するととても複雑になってしまいます（「色 波長 錐体」などをキーワードにして質問検索してみて下さい）が「同じ色に見える混ざり方が、実は何通りもある」ということが特に重要です。
　この事実を利用したのがカラーテレビです。赤・緑・青の３種類の波長の光子を適当な割合で混合することで、どんな色でも表現できる。（虫眼鏡でモニターの表面を良く観察すれば、これら３色が光っているのがわかります。）ところが、カラーモニターが出している光は、実物を見たときに目に飛び込む光の光子の混ざり方とは似ても似つかないんです。

ちなみに、
＊ どんなものであれ、速度によって質量が変わることはありません。ですからNo.6は誤りです（が、これは間違った説明を乗せている啓蒙書が非常に多いため、半ばやむを得ない誤解です）。

＊ ご質問とは関係のない話ですが、光子は真空中では一定の速さで飛びます。それ以外の速さになることができない。これを「（真空中の）光速」と言い、普通"c"という文字で表します。No.6にある通り、c=秒速30万キロメートル。しかし、ガラスや水などの物質の中ではこれより遅い速さで進みます。

＊ 全ての色の成分（波長）を持っている光子というものはありません。No.2はその点で誤っています。そうではなく、いろいろな波長の光子が集団で飛んでくるんです。青い服の話は、「成分」を「光子」と書き換えれば正しいです。

＊ここで触れていない番号の回答者の方々には、こちらのURLをご参照戴ければと思います。
→ http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=41824

回答No.7

Zincer

とりあえず光（光子）には質量はない。
でもブラックホールには吸い込まれる。
（http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=123641）
と言ったところで。次の質問に行ってみましょうか。
（Myrddinさんがちょっと正解に触れてますけど）
疑問を持つことは良いことです。でも「色は、何色になりますか。」は頂けませんな。
過去の質問の検索及びそれなりに自分で理解して分らないところを質問するようにしないと深い理解は得られませんよ。

回答No.6

Mell-Lily

現在の物理学では、光とは光子の集まりであると考えます。光子の”静止”質量はゼロです。光子は静止することなく、常に光速c(=3．0*10^8m/s)で運動してします。相対性理論によれば、速さvで運動する物体の質量Mは、静止質量M_0と、
　M=M_0/(1-v^2/c^2)^(1/2)
という関係にあります。数学的に言えば、0/0の不定形になります。

回答No.5

guiter

ranx さんは少し誤解をしておられるようです。
質量を持つ粒子も含めて、相対論的なエネルギーは
　Ｅ＝√( (mc^2)^2 + (pc)^2 )
と書けます。したがって、質量０の光子のエネルギーは
　Ｅ＝ pc
となります。
ここで、p は運動量ですが質量を持つ(非相対論的)粒子のように p=mv と書けるわけではありません。
このことからも物理学において運動量が本質的な量であることがわかります。
余談ですが、光子が質量を持つと光速で飛べなくなることのほか
電磁力が無限に遠くまで届かないことにもなります。

補足で、色の波長についての数値を挙げておきます。
人間の目に見える光（可視光）は
　7.6×10^-7(赤)　～　3.9×10^-7(紫)　[m]
くらいの波長を持っています。
だいたい ranxさんが書かれているような値で 0.39～0.76ミクロンといったところです。
この波長領域以外は人間には見えないのですが、電磁波としては存在します。
例えば、私達が赤外線や紫外線も目で見えるのだとすると
虹は紫の内側に紫外線が、赤の外側に赤外線が見えて
いまよりも少し太く見えることになります。

回答No.4

ranx

光子（光の粒子）には質量はありません。
しかし、周波数νに応じてＥ＝ｈνのエネルギーを持っているため、
このエネルギーがＥ＝ｍｃ＾２に相当する質量を持ちます。
つまり、ｍ＝ｈν／（ｃ＾２）です。
　　ｈ・・・プランク定数
　　ν・・・周波数
　　ｃ・・・真空中の光速度

様々な波長の電磁波のうち、波長が数ミクロン程度のものが人間の
目に見えます。（正確な値は忘れました。）その中で、最も波長の
長いものが赤色、最も短いものが紫色で、その間、波長に応じて
様々な色に見えます。波長がこの範囲外ののものは人間には見えま
せんので、色もありません。

回答No.3

guiter

光（光子）の質量は０です。

また、光という言葉は人間の目で見ることの出来る波長領域の電磁波のことを指します。
波長によって様々な色に見えます。

回答No.2

altyra

光に質量はなかったと思います。どなたか補足願います。

　光に色はありません。
　しかし、全ての色の成分（波長）を持っています。

　詳しく説明すると、例えば青い服があるとします。
　そこに光が当たると、その服の色素は光の青い成分（波長）だけを反射し、残りを吸収します。その光がわれわれの目に入って、「あの服は青い」と認識されます。

回答No.1

noname#25358

具体的な数字は忘れてしまいましたが、あります。
　色は何色にでも(笑)