光で物体を動かす？

質問

光で物体を動かす？

宇宙空間のような重力やその他の力が働かない、ほぼ真空と言っても良い場所で、物体に太陽光を当てるとその光の圧力を受けて物体は動くと聞いたのですが、どういう原理なのでしょうか?
光は質量がないのになぜ圧力が発生するのですか?
自分のかってな考えですが、光と物体のお互いが作用する結果だと思うのですが、だとしたら逆に物体から光を押して光の速度が上がるような気がするのですが?
質問をまとめると、
1、なぜ質量のない光が物体を動かせるのか?
2、その時の原理は?
3、お互いの相互作用の結果だとしたら、なぜ逆に物体から光を押して光の速度を上げられないのか?
以上のことについて教えて下さい。

回答No.6

noname#175206

既に回答が出ていますが、私なりに蛇足的に。

>1、なぜ質量のない光が物体を動かせるのか?

　ニュートン力学では運動量は「速度×質量」ですが、特殊相対論的な力学ではそうなりません。相対論的に計算して、そこで質量0で速度を光速としてやると、不思議なことですが運動量があるのです。

>2、その時の原理は?

　力が運動量の変化分であることは、相対論でも変わりません。また運動量はベクトルです。方向が変わるだけでも運動量は変化したことになります。すると、光を受けて反射すると、運動量が変化することになり、それで力を受けて物体が加速するわけです。

>3、お互いの相互作用の結果だとしたら、なぜ逆に物体から光を押して光の速度を上げられないのか?

　これは光がそういうものだから、としか言えません。普通の物体（を構成する素粒子）はタージオンと呼ばれます。光速未満の速度にしかなりませんが、仰るように力を加えれば速度を上げたり下げたりできます。
　光はタージオンとは違う性質のもので、ルクソン（またはルクシオン）と呼ばれます。これは慣性系では光速度以外の速度を持てないのです。なぜかは分かっていません。素粒子実験で限りなく光速に近い素粒子をターゲットにぶつけて出てくる光も、やはり同じ光速度にしかなりません。まあ、そういう不思議なものだから相対論が出てきたわけですが。

回答No.5

noname#118172

退会する前の遠吠え。

何故、光で物体が動くかと言うと、それは光をエネルギー変換し、変換させた因子で加速するから。

＞物体に太陽光を当てるとその光の圧力を受けて物体は動くと

光に圧力は無い。

＞自分のかってな考えですが、光と物体のお互いが作用する結果だと思うのですが

光を調べれば理解出来ます、「光の性質」と「特徴」がキーポイントです。

あとは、想像力とＩＱだけさ。物理学コーナーにそれなりのものがあるから参考に。

＞お互いの相互作用の結果だとしたら、なぜ逆に物体から光を押して光の速度を上げられないのか?

アインシュタインは、光が不偏と語った。

ニュートン力学説は、地球上で一定の重力下の理論であって、宇宙空間では通用しない。

回答No.4

gamma_46

1．他の方の説明にもあるように、運動量を持っているからです。結果的に光のエネルギーが運動エネルギーに変わりますが、エネルギーだけで考えると、内部エネルギー（例えば熱や励起）に変換される場合もあるので、正しい答えには行き着きません。
2．運動量保存の法則とエネルギー保存の法則です。光子一個のエネルギーが大体500keV（電子の静止質量をエネルギーに換算した値）以上のガンマ線（人によっては硬X線ともいう）になると、ガンマ線によって物質の中の（正しくは原子の周りにある）電子が、光の運動量ではじき飛ばされます。これを「コンプトン効果」といいます。
3．光の速度は決まっているので、（他の方の回答にあるように）周波数が高くなります。例えば高エネルギー電子ビームとレーザービームを正面衝突させると、可視や赤外のレーザー光をX線やガンマ線に変換することもできます。（これを、逆コンプトン散乱と言います）
宇宙推進の場合も、これと同様に運動量保存で考えることができます。
他に、「光ピンセット」というものがあります。いろいろな説明が出来ますが、上との関連で説明すると、光が誘電体の中に入るときに進行方向が変わります。つまり運動量が変わりますから反作用を使って分子の一つ一つをレーザーで自由に動かそうという物です。

回答No.3

Tacosan

光子に質量はありませんが運動量はあります. つまり, 光がものにあたればものの運動量が変化します. 一方「運動量の変化」は (ニュートン力学的にも) 「力」になりますから, 「光がものにあたるとそこで力が発生する」ということになります.

お礼

解答ありがとうございます！
光が物を押したというよりも、光の持つエネルギーが単純に運動エネルギーに変換されたと考えればいいのですか。

回答No.2

juyjuy

１:光は光子という粒子とも見なせます。光は波長に応じたエネルギーを持っています。このエネルギーをもった光子が物を押して圧力を発生させます。アインシュタインは光子が粒子としての性質を持つ事を発見しノーベル賞をもらいました。

2：原理は1に書いたとおりです。

3：光を押せば（比ゆ的にですが）光の波長が短くなりエネルギーが増えます。光速は変わりません。

お礼

ありがとうございます。
光子という質量の無い粒子が物体を押すと考えるととても不思議です。
御回答頂いた3番ですが、光を進行方向に押すと、光の波長が縮むのは初めて知り驚きました、つまり物体が光を進行方向に押したときのエネルギーは、光の速度が速くなるのに使われるのではなく、光の波長が短くなり光の持つエネルギーを上げるのに使われるということなのですか。

回答No.1

kia9438

太陽光圧で動く宇宙帆船イカロスに関する質問かと思いますので、以下を参照すると良いようです。
http://www.ecei.tohoku.ac.jp/inuta/souzoukougaku/takasho/takasho01.htm

３の質問は光の進行方向に物体が光を押していないので光の速度は上がらない。また相対性理論から光速を超えられない。

お礼

ありがとうございます。
太陽光圧を推進力としている宇宙船があったと思ったのですがイカロスですね、早速調べます。