光のスピンと偏波面について

質問

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。

回答No.3

atomicmolecule

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。

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。