完全な平面波を二つ９０度位相を遅らせて重ねると円偏光ができますよね。もしこの波がスピン角運動量を持つとすれば、この波を物質が垂直に吸収したときトルクを受けると思います。
しかし光の圧力はあくまで正確に進行方向なのでトルクを受けるとはとても思いません。もし何らかの理由でトルクを受けたとすれば逆の角運動量を持った光が放出してバランスを取ると思います。光のスピンとは電子スピンと同様に古典電磁気学的にはやはり理解できないのでしょうか。光子がスピンを持つという実験はどうすればできるのでしょうか。どうかよろしくお願いします。
投稿日時 - 2007-02-11 19:51:57
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回答（4件中 1～4件目)
私自身満足行く答えではないですが、忙しいので思いつくまま書きます。
疑問点はスピンと軌道角運動量が区別つくのだろうかということですよね。たぶん。J=L+S が角運動量の合成ですね。これは３次元ベクトルですから、運動量と内積をとってみると
P.J=P.L+P.S=P.S ( P.L=P.(r×P)=0 だから )
となります。P.Sを運動量方向のスピン、ヘリシティーと呼ばれているものです。軌道角運動量は落ちます。
つまり光を平面波展開した時に、平面波の運動量方向
に角運動量を分解して考えておけばスピンだけが効いて来る効果を見ることができると思います。
もう少し色々と考えて自分自身スッキリした理解が得たいんですが取り合えず今はこれだけです。また違った角度から何か分れば書き込みます。
投稿日時 - 2007-02-12 19:58:55
お礼
お礼が大変遅れました。大変参考になりましたが完全に理解できませんでした。問題を整理して再度質問させて頂きます。ありがとうございました。
投稿日時 - 2007-07-30 23:42:28
少し私も混乱していました。以下に私が前回思ったことを説明しますが、前回の主張は全て取り下げます。
（１）私が書いた「非相対論的だから」というのは光と物質の相互作用の話で、スピンが関係した効果は1/cの因子がつくのでその分小さいという意味です。それでこれは電子からでた光が他の電子に吸収されるときにはスピンの効果は小さいだろうと思ったわけです。しかしこれはクーロンポテンシャルの話でした。
レーザーなどの電磁波（クーロンポテンシャルは電磁波じゃない）だと話が違ってくるだろうという理由で前言撤回します。
（２）「平面波は球面波で展開できるから、角運動量をもつ」という主張は正しいと思います。ただあらゆる大きさの角運動量状態の重ね合わせだという注意書き突きで。
（３）「レーザーなどで決ったスピンの値を物質に与えられるか？」については、レーザーといえどスピン状態の重ねあわせなので、確実に決ったスピンとはいえないけれども、統計的には、決ったスピンの値だけを物質に与える効果がでかいというような設定はできると思います。ただ、その他のスピンの値をもった光も混じっていますから、確率的にという意味ですが。
（４）スピンは相対論的といわれますが、あまりとらわれない方が良いと思います。古典的にその起源が説明がつかないという意味であって、古典論でスピンの事が全く扱えないという意味ではありません。実際スピンに対する運動方程式は知られています。
また大抵の場合スピンに関する運動方程式には1/cという因子がつくのでｃを大きいという近似をすればその効果が落ちるという意味でも、スピンは相対論的であるといわれることもあると思います。でも運動方程式は古典論でも書けます。量子論的な揺らぎは勿論あるので平均値に対する運動方程式といったほうが良いかも。
最後に、私素人なので深いことは分りません。ジャクソンの電磁気学ならその手の話題も載っている可能性でかいと思います。
投稿日時 - 2007-02-12 09:01:15
補足
２度にわたるご回答感謝いたします。最後の文章は「この話はこれ位にしましょうと」いう風に理解すべきかも知れませんが、もう一点だけご意見を頂ければ有難く思います。
ご回答の（２）の部分にあらゆる大きさの角運動量の重ね合わせだという注意書きがあります。私も同じ意見ですが、ひとつの球面波が持つ固有の角運動量は[l,m]で原子核の周りの電子は表されますよね。光の場合の球面波の角度関数は球面調和関数で全く同じです。
私は光は質量こそ持たないけれどもエネルギーは立派にあるため運動量も角運動量も定義しても全然おかしくないと思っています。ましてや電子の波動関数と光のデバイポテンシャルの形は角度方向については同じなので全角運動量の２乗と角運動量のｚ成分については電子と光は全く同じだとさえ考えても良いのだと思っています。
そうだとすると偏光の話は軌道角運動量のｚ成分を決める話であってスピンとは別物だと思うのですが、スピンを偏波面で測定できるような記事を目にします。一部でも結構ですコメントお願いできれば幸いです。
投稿日時 - 2007-02-12 18:11:08
断片的な知識をつなぎ合わせて私なりに理解しようとした結果のこうではないかという予想を書かせてください。
疑問は電場の偏向によって物質が受ける圧力が違うのでないかということですよね。そういう効果はあるとは思いますが相対論的効果で小さいのだと思います。ディラック方程式から導かれる結論としてスピンの効果は非相対論的なことが知られているからです。
逆に言うとエネルギーを上げてゆけば光のスピンによる効果が見えてくるのではないでしょうか。光子がスピンを持つ事を調べたければレーザーをつかうんじゃないでしょうか。勿論へんきょくフィルターも、ヘンキョク≒スピンを認めればスピンの実験ですが、レーザーならもっと積極的にスピンを操作できるとおもいます。
投稿日時 - 2007-02-11 21:06:08
補足
ご回答ありがとうございました。スピンの効果は非相対論的で小さいと言う意味が不勉強で理解できません。完全な平面波は球面波の集まりですから球面波は角運動量を持つという言い方もできますが、それでは球面電磁波は電子と同じ様に軌道角運動量やスピン角運動量を持つと思っていいのか悩んでいます。レーザーの偏光で決まった方向のスピン角運動量を物質に与えることができるのでしょうか。よろしくお願いします。
投稿日時 - 2007-02-11 23:02:38
光子はスピン１のボゾンです。
なんでだかはわすれましたが、スピン０の状態が見えなくて、このうち１とー１が偏向になっていると記憶してます。
したがって、ある電磁波の状態では|1> と |-1> の重ねあわせで、
これを観測する実験をすれば、どちらかにある確率で収斂する
と思います。
よってトルクとはあんまり直結しないかと思います。
大昔の記憶ですので、間違っているかもしれません。
投稿日時 - 2007-02-11 20:11:23
補足
ご回答ありがとうございました。教科書どうりで異論はありませんが
天下り的なので少し感性で理解したいと思って質問させていただきました。電子のスピンを古典的に理解するのは大きさがあまり小さいため、断念しました。光のエネルギーはそこそこ広がりを持っているのでＲ＊（Ｅ＊Ｈ）で角運動量を考えてもいいのかと思って円偏光とか直線偏波とかいう言葉をつかいました。
でもスピンは粒子固有の性質でそんなマクロなものとは全然違うものなのでしょうか。トルクは不適切な言葉かも知れませんが物質の電子の持つスピンと多分相互作用するのかと思って質問の中で使いました。広がりすぎて相互作用したとたんに波動関数がシュリンク、普段はその姿を全く見せないのでしょうか。
投稿日時 - 2007-02-11 22:52:11
