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光について

2001/08/24 14:32

Hikaru99の回答

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Hikaru99
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2001/08/27 20:45 回答No.9

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