光子の確率波と電磁波の関係は？

質問

光は光子の存在確率の波、電磁波は電場と磁場が相互作用しながら進む波というイメージなのですが、これら2つの波にどういう関係があって「光=電磁波」と考えられるのでしょうか。
また、ラジオなどの電磁波の振動数と、それに含まれる光子の存在確率の波の振動数は一致するのでしょうか。

お時間のある時にでも、ご解答いただけると助かります。

回答No.4

mmky · ベストアンサー

hf=h/T : T=1/f, f=C/λ, λ：波長、C:光速度
波長が１Kmだとｆは3*10^5。
だからTは、約3.3*10^-6 (秒）だね。
表現をかえれば、波長が１Kmの電磁波は3.3*10^-6 (秒）に１個のプランクエネルギーhを放出しているということですね。
１秒あたりに換算するとfだから3*10^5個となるわけですね。
題意に従ってW/hf=N　とすれば１秒あたりの送信電力は、
W=3*10^5個*N*h になるわけですね。
#2,#3で説明したように、プランクエネルギー[h](光子のエネルギー表示）は微細構造定数を介してクーロン作用[e^2]と等価ですから、電磁エネルギーの光子エネルギー表現hf=h/T　は正しいですね。だから「光子の存在確率の波は、同じく1kmくらいの波長を持つ」という表現も正しいですね。
なぜなら、3.3*10^-6 (秒）に１個のプランクエネルギーhを放出ということは光の速度で言い換えれば１Km/秒に１個のh存在確率になるからですね。

お礼

>「光子の存在確率の波は、同じく1kmくらいの波長を持つ」という表現も正しいですね。
そうだったんですね。光子の存在確率の波の波長は、なんとなくもっと短いイメージだったのですが、1kmなんてこともありえるんですね。
たいへんよくわかりました。
何度も丁寧にご回答くださり、ありがとうございました。

回答No.3

mmky

追伸：まとめると、「電子(=光子）の運動が電磁場を作る」ということですね。
単純化するとそのとおりです。電子は、閉時空間（閉じた空間）の構造をしていますが光子は開時空間（開いた空間）の構造と見るわけです。電磁場は開時空間にあるものですから閉じた空間である電子のエネルギーの増減は開時空間素粒子が関与するしかないわけです。当然、どちらも時空間的構造の違いはあれども同じ性質を有するはずですね。
例えば、単一の光速度電子は、空間的なミラー効果により「e＾2」項を持ちえます（このエネルギー分布が電磁場と考えます）。これは、電子対と等価ですし、同時に電子・陽電子対とも等価なのですね。光子は電子・陽電子対で代表されますが「e＾2」項を微細構造定数として内包していると考えれば、等価なものになりますね。
参考程度に

お礼

ご回答ありがとうございます。
閉時空間、開時空間、ミラー効果など初めて聞く用語がいくつかありますので、じっくり勉強したいと思います。
あと、どなたか後半の質問「また、ラジオなどの電磁波の振動数と、それに含まれる光子の存在確率の波の振動数は一致するのでしょうか。」に対するご回答をいただけると助かります。
ANo.#1のお礼にも書きましたが、手元の演習書にこんな問題があります。
---
[問] ν[Hz]、E[W]の放送局のアンテナからは毎秒何個の光子が放出されるか。
[答] 周波数νの電波の持つエネルギーは、hν[J]であるから、E[W]の中には、E / (hν) [個/s] の光子が含まれる。
---
これは、電磁波は光子のあつまりで、その振動数は光子のエネルギーhνのνに一致する、ということを意味するのではないかと思うのですが、イマイチ納得できません。なぜなら、そうだとすると例えば波長が1kmくらいのAMラジオの電波を構成する光子の存在確率の波は、同じく1kmくらいの波長を持つことになるからです。
どこか誤解しているのでしょうか？

回答No.2

mmky

参考に、電子の運動はマクロ的に電磁場を作ります、この電磁場の作用で運動エネルギーを放出しているといえます。一方、ミクロ的に表現すれば、電子はその周りで仮想光子を放出・吸収しながら運動していると考えられますから、運動エネルギーは仮想光子によって放出されているともいえますね。ミクロの集合がマクロですから、ミクロ的仮想光子の作用がマクロ的電磁場の作用の元であると考えられますね。
物理学者のデラック博士は、電子のクーロン作用と光子の変換定数に微細構造定数αを持ち込んでいますね。
微細構造定数αを介して電子対と光子は等価なものになります。それゆえ光子も間違いなく電磁波なのですね。
デラック博士は、変換定数を微細構造定数と表現していますが、表現のとおり光子も電子も構造（状態）の違いだけなのかもしれませんね。

お礼

ご回答ありがとうございます。
>微細構造定数αを介して電子対と光子は等価なものになります。
は知りませんでした。これで「電子対 = 光子」はわかったのですが、「電子対 = 電磁場」または「光子 = 電磁場」が理解できません。
どちらかが言えれば「電磁場 = 電子対 = 光子」が成り立つのですが。。。
よろしければご説明いただけませんでしょうか。

補足

ごめんなさい、お礼を書いてから気づいたのですが、電子と電磁場の関係は始めに書いていただいていましたね。
まとめると、「電子(=光子）の運動が電磁場を作る」ということですね。

回答No.1

N64

私は、全くの素人で勉強もしていませんので、間違っているかも知れませんが、まず「光子の存在確率の波」は、光の波ではないと思います。これは、光の干渉実験で出てくる用語ではないかと思います。ですから、光は「光子の存在確率の波」ではないと思います。それから、光と電磁波（ご質問者は電波のことを指して電磁波と言っているのでしょう。）の違いは、発生方法が違うこと、すなわち、周波数（エネルギー）が全く違うことだと思います。電磁波（電波）は、高周波交流電流で磁場の波を作り、電波をつくり、光は電球のフィラメントを電気で加熱して高温にして発生させるので、周波数（エネルギー）が全くちがう（どうしてだかは知りません。）。しかし、両者とも、速度（伝わる速さ）が光速に等しく、波のような性質と粒子のような性質を持ち、そのほかいろいろな実験でも、同じ性質をもっているので、光は電磁波と同じと言われているだけだと思います。

お礼

ご回答ありがとうございます。なぜ光の干渉実験で出てくる用語だと、光は「光子の存在確率の波」ではないということになるのでしょうか。
「干渉実験でも確認されているように、光は存在確率の波である」とは言えませんでしょうか。
あと、手元の演習書にこんな問題があります。
---
[問] ν[Hz]、E[W]の放送局のアンテナからは毎秒何個の光子が放出されるか。
[答] 周波数νの電波の持つエネルギーは、hν[J]であるから、E[W]の中には、E / (hν) [個/s] の光子が含まれる。
---
これは、電磁波は光子のあつまりで、その振動数は光子のエネルギーhνのνに一致する、ということを意味しませんでしょうか。
（実はこの問題を読んで、「本当？」と思って投稿した次第なのですが(^^;)