光は、互いに作用を及ぼしますか？

質問

光は、互いに作用を及ぼしますか？
光が光に対し、何らかの作用を与えますか？
光は光から、何らかの作用を受けますか？

回答No.14

grothendieck

二つの粒子源からのビームが検出器に入るようにすれば、ビームの間に何の相互作用がなくても検出器のカウントは増えます。同じように二つの波源からの波が検出器に入るようにすれば何の相互作用がなくても検出器は二つの波を加えたものを検出する。ただ波なので強めあう場合もあれば弱めあう場合もあるし、二つの位相の揃った光源を準備するのは難しいというだけの話ではないですか（ボーム流の非局所的な相互作用で干渉パターンが生じるという考え方もないこともないが）。少なくともibm_113さんや私が述べている光子-光子相互作用で干渉パターンができるとは考えないでください。二つの相互作用しない波を交差させると交差した部分だけは干渉するが、それを過ぎると交差する前と全く同じです。光子-光子散乱では散乱後の波長、運動量、特定の方向への強度は変化します。ファインマン図がループを含むので運動量積分で無限大が生じ、くりこみ理論で発散を除かなければなりませんが、計算が必要ならばランダウ=リフシッツ相対論的量子力学２などにあります。

お礼

御回答ありがとうございます。
今の私には難しすぎる内容です。

回答No.13

boson

Hong-Ou-Mandel効果
http://en.wikipedia.org/wiki/Hong-Ou-Mandel_effect
についても言及しておきます。

光子数状態（位相が不確定状態で光子数が確定している状態）の光で、特に光子1個を発生する光源を
Hanbury Brown and Twissの実験の光源として使用することにより、Hanbury Brown and Twiss効果が非常に強く出る実験が
Hong-Ou-Mandelの実験だと思います。

Hong-Ou-Mandelの実験は、光子1個を発生する光源を二台用意してそれぞれの光子をハーフミラーを介して光検出器に入れると、光検出器に光子は必ず2個ずつセットになって到達するというものです。

Hong-Ou-Mandel効果について日本語で読める本として以下を挙げておきます。

「工学系のための量子光学」井上恭著　森北出版刊
p.132-134「（2）光子の場合」の項目
http://www.amazon.co.jp/dp/4627154119/

お礼

御回答ありがとうございます。
私には難しいですが、勉強してみたいと思います。

回答No.12

boson

sanoriさんが（一光子の）干渉について言及していますが、
「光が光に対し、何らかの作用を与えますか？」
という問いなので、二光子干渉（強度相関）についも言及しておきます。

ANo.6の図の光源は一つですが、スリットの位置に二つの光源を用意しても強度相関は発生します。
具体的には光源(a,b)と検出器(A,B)を↓の図の配置にしても強度相関は発生します。
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/4/46/TwoPhotonAmplitude.png

詳しくはキーワード↓で検索してみてください：
二光子干渉、強度干渉、多光子干渉、二光子相関、強度相関、多光子相関、Hanbury Brown and Twiss effect

例えば、
ハンブリー・ブラウン・ツイス効果
http://en.wikipedia.org/wiki/Hanbury_Brown_and_Twiss_effect

最近は↓のような教科書も出版されているようです。
「Multi-Photon Quantum Interference」Zhe-Yu Ju Ou著、Springer刊
http://www.amazon.com/dp/038725532X/

日本語で「ハンブリー・ブラウン・ツイス効果」について
読むことができる教科書として↓を挙げておきます。
「量子光学の考え方」P.L. Knight著, L. Allen著, 氏原 紀公雄訳 内田老鶴圃刊
http://www.amazon.co.jp/dp/475362028X/

お礼

＞スリットの位置に二つの光源を用意しても強度相関は発生します。

そうなんですね。光の情報の出る出口が2個という事が必要という事なんですね。

回答No.11

sanori

３回目。　　＾＾
当初のご質問からかなり脱線していますが・・・

＞＞＞フォトンを１発ずつというのは、どのようにして行い証明できますか？

たとえば、
半減期あるいは平均寿命が１年程度で、ガンマ線を出す放射性物質があるとしましょう。
その放射性の原子が３００～４００個程度の塊があるとしましょう。
すると、その塊からは、１日１個程度のガンマ線が出ます。
まさに、「１発ずつ」です。

＞＞＞
２つのスリット孔のうちのどちらを通ったかを検出する手段とは、片方のスリットを塞ぐのでしょうか？

それは、ふさぐ代わりに、その場所に検出器を置く、ということですね。
それも一つの考え方です。
しかし、ふさがなくても、スリット孔を通過するガンマ線を検出することは可能であるはずです。
どういう検出器にするのが適当なのかわかりませんが、
ガンマ線は物質中を通過するとき、その経路にある物質の一部を電離する作用があるので、
その電離を検出することによって、通過するガンマ線の数を数えることができるのではないかと思います。

なお、前回まで書きませんでしたが、
このように光源が微弱である場合、干渉縞は１つのフォトンだけで現れるものではありません。
１個のフォトンは、スクリーン上の「強め合う場所」のどこか１箇所に１個飛来するだけです。
スクリーン上のあちこちに検出器を置いて、
スクリーン上のお場所々々に飛来するフォトンの数を積算して、多い・少ないを整理した結果が、
全体として「干渉縞」となります。

以上、ご参考になりましたら。

お礼

なるほど。1/365というわけですね。
霧箱みたいな仕掛けですかね。
一個のフォトンは、必ずスリットの検出器の所に向かうとは限らないということですね。

回答No.10

grothendieck

一般にはゲージ粒子とゲージ粒子の相互作用は存在します。非可換ゲージ理論では”場の強さ”は

　Gμν = ∂μＡν - ∂νＡμ - ig[Aμ,Ａν]

で与えられ、交換子[Aμ,Ａν]の部分がゲージ粒子とゲージ粒子の相互作用を表します。
http://books.google.co.jp/books?id=-aCDjY_ps4UC&pg=PA169&lpg=PA169&dq=gluon-gluon+scattering&source=web&ots=IwpYwsBJlT&sig=fRU6U886NZmsxL5sQVRgr4l1o6k&hl=ja&sa=X&oi=book_result&resnum=1&ct=result#PPA169,M1
のp.169の図8.5がグルーオン(QCDのゲージ粒子)の散乱のlowest orderファインマンダイヤグラムです。ゲージ粒子とゲージ粒子の相互作用がないのは量子電気力学という可換ゲージ理論の場合だけです。「ゲージ粒子とゲージ粒子の相互作用はない」と書かれた方はそんなことは百もご承知なのでしょうがこれを読んだ人は一般に「ゲージ粒子とゲージ粒子の相互作用はない」と思う可能性はあるでしょう。
しかし考えてみてください。電子-電子散乱だって仮想光子を媒介にしなければ起こりません。光子-光子散乱と電子-電子散乱やグルーオン-グルーオン散乱の違いは何か？それは光子-光子散乱がlowest orderでも(ibm_113さんが示した図のように)ループを含んでいることです。ループを含まない図は古典論に対応し、ループを含んだ図は量子補正を表します。光子-光子散乱は量子補正としてしか起こらないので極めて微弱なのです。そしてその理由は「光子がゲージ粒子だから」ではなく「QEDが可換ゲージ理論だから」というべきでしょう。

お礼

ありがとうございます。
今の私には難しすぎます。

回答No.9

noname#108554

量子論的には直接に相互作用をしないのは確かですが、
一般相対論的にはどうでしょうね。

という問題は、私が昔から個人的に追っているテーマなのですが、
計算がむっちゃくちゃ面倒なので、今のところほったらかしです。
論文は探せばあるような気がしますが英語が苦手なもので。

というわけで、
「光は、互いに作用を及ぼしますか？
光が光に対し、何らかの作用を与えますか？
光は光から、何らかの作用を受けますか？」
という疑問への回答は個人的には、
量子論的には直接には無い。
量子論的には間接には有る。
一般相対論的にはよく分からない。
ということになります。

お礼

量子論的には直接には無い。
量子論的には間接には有る。
一般相対論的にはよく分からない。

考え方の系統によっても可否も分かれる可能性があることは否めないということなのですね。

＞私が昔から個人的に追っているテーマ

素晴らしいテーマですね。

回答No.8

noname#108554

直接には相互作用をしないのは確かですが、間接にはどうなんだ？について
他の回答者さんがコメントしてくれないので、自信を無くしていましたが、
やはり仮想電子を介してよいなら相互作用するようです。
http://universe-review.ca/R15-12-QFT.htm#Feynman
http://arxiv.org/PS_cache/hep-ph/pdf/0512/0512033v1.pdf
ファインマンダイアグラムはやはり私の予想どおりでした。
よかったよかった。で、

>上から入射した光子が、4個の仮想電子の所を通過する際、その進路に影響を受けるということでしょうか？

そういうことです。

>電子にあえて仮想という単語の付いていることの内容はどういったことなのでしょうか？

仮想粒子についてはこれをどうぞ。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E4%BB%AE%E6%83%B3%E7%B2%92%E5%AD%90
仮想粒子は観測できませんが、これを考えないと計算できないので「仮想」なのです。

>もし、例えば、光が空間で交わると、その点のエネルギーは上昇しますか？

そりゃあ（エネルギー保存則の許す限りにおいて）上昇すると思いますよ。

>交点において、光と作用する可能性のある物が無ければ、その点を直進し通過した光は、入射前の光の波長や明るさと同じになるのでしょうか？

これはわかりません。計算してみないと。

お礼

御回答ありがとうございます。

リンク先が英語ですね。こ、こ、これは難しい。
日本語でわかりそうな所はございませんか。恐縮。

直接の作用は出来ないのですね。

質量の2乗は、エネルギーの2乗－運動量の2乗
を外れる粒子ということなのですね。

回答No.7

ojisan7

>光子と光子が直接相互作用できない訳をご存知でしょうか？

これが一番難しいご質問ですね。結論を言えば、光子はそのような性質（相互作用の）を持っていないからです。これでは答えになっていないですよね。でもしかたありません。
そもそも、相互作用とは何でしょうか。自然界には４つの力があるということはご存じですよね。その、４つの力を媒介するのが、ゲージ粒子です。相互作用というのは、粒子とゲージ粒子の作用を言うのです。これが、現代の物理学の解釈です。ですから、粒子と粒子の相互作用とか、ゲージ粒子とゲージ粒子の相互作用というものは存在しません。
荷電粒子に働く力を媒介するゲージ粒子が光子ということになります。電磁相互作用というのは荷電粒子と光子との相互作用のことです。電磁気にはこれ以外の相互作用は存在しません。

お礼

御回答ありがとうございます。

ゲージ粒子とゲージ粒子の相互作用というものは存在しないのですね。

作用できないメカニズム・理由を知りたくなってきました。

回答No.6

sanori

＞＞＞
NONONOなんですね。
＞光の干渉は、いわば、１個のフォトンが「自分自身どうしで作用」している現象
自分自身どうし、というところをもう少し詳しく教えていただくことはできますか？

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　光源

スリット------------　------------------　------------------

　　　　　　　　　　　　／＼　／＼　／＼　／＼　／＼　
スクリーン--------------------------------------------------

光源から出発した光がスリットの孔を通ってスクリーンに到達するとき、
スクリーン上には干渉縞ができます。

そして、ここからが肝心なのですが、
光源から出る光の量を非常に微弱にして、フォトンが１発ずつスタートするような状況にしても、
スクリーン上には干渉縞ができます。

これは、１個のフォトンが自分自身どうしで干渉していることにほかなりません。

ちなみに、
フォトンが２つのスリット孔のうちのどちらを通ったかを検出する手段を設けると、
干渉縞は忽然と姿を消します。
いわば、
「どちらのスリットを通ったかわからないから、干渉縞ができる」
ということであるわけです。

今度は「御回答ありがとうございます。」とおっしゃっていただける回答になってますかね。

お礼

御回答ありがとうございます。

フォトンを１発ずつというのは、どのようにして行い証明できますか？

２つのスリット孔のうちのどちらを通ったかを検出する手段とは、片方のスリットを塞ぐのでしょうか？

回答No.5

ojisan7

光は、互いに、直接に作用を及ぼし合うことはありません。
レーザー光の場合、位相がそろっていますので、干渉することができますが、これは線形波動の加法性から導かれる性質ですので、光が光に対する相互作用（光子が光子に及ぼす力）とは違います。

光は必ず粒子と相互作用します。そして、粒子は光と相互作用します。
このように、光が光と相互作用するためには、必ず間に粒子がなければなりません。光は粒子を媒介として光と相互作用します。光と光が直接相互作用することはありません。

お礼

御回答ありがとうございます。
＞光と光が直接相互作用することはありません。

そうなんですね。
光と光が直接作用できない訳をご存知でしょうか？
そちらも教えていただけたら嬉しいです。