光は物質ですか?

光は「粒子」であるとともに「波」であることは、今では誰もが知っているでしょう。しかし、それを理解して説明するのは意外と難しいと思います。

私が小学生のときに、光は「可視光線」のことで、さらに、「光は波」と教えられていたのですが、中学生になってから、波の合成や回折とともに、粒子の性質を持っているということを教わりました。光は電磁波の一種であることやその他の詳しいことを知ったのはもっと後でした。

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波動説と粒子説

もちろん1960-70年台には、すでに、現在のように、素粒子やその性質などについての理論は出揃っていたので、光についての正しい説明はされていても良かったのですが、その挙動などが現実離れしすぎていることもあったのでしょうか、当時、教える先生たちも充分噛み砕いて理解することができなかったのか、十分な説明がされていなかったのかもしれません。

私もそうですが、波動、粒子、量子、量子場、場の量子論、素粒子・・・などが、どこでどうつながっているのかや、それらの関係がどうなっているのかさえわからないのですが、ここでは、私が理解する範囲で、光というものを頭の中でイメージできるように紹介していきたいと思います。

波のイメージ

今の小学生なら、「光は電磁波の1種で、その一部が人間の目に感じる可視光線で、さらに、波長の短い電磁波の紫外線は強いエネルギーがあり、それを浴びると何かが体に作用する」というような「波と粒子の2重性」については、ある程度は教えられているのでしょうね。

でも、光は粒子であるけれども、「物質(もの)」なのか・・・というところになると、難しい説明をしないといけません。

まず、光の性質とこのあたりの考え方を歴史の順に簡単に見てみましょう。

光の粒子説、波動説の歴史

1700年頃~1800年初頭に、光の粒子説と波動説が別れて提唱されてきました。このあたりの年代では全体的に、光=可視光線 と考えられていたのでしょう。

ホイヘンス(1629年-1695年)は、光は、回り込む(回折)し、ぶつかると交差して強め合ったり弱め合う性質(干渉)があることから、光=「波」 である・・・と考えていました。

しかし、物理学の大御所のニュートン(1642年-1727年)は、光は直進するし、反射するし、プリズムで分光することや、真空中などの間に伝えるもの(=媒質)がなくても伝わることができるので「光=粒子」と考えていました。

 

1860年以降1900年初頭には、光は電磁波の1種であるということがわかってきていました。

可視光線は特定の周波数をもつ電磁波だということや、それが、粒子の性格も持っていることも次第にわかってきます。

マックスウェル(1831年-1879年)やヘルツ(1857年-1894年)は、光は媒質がなくても伝わり、光が伝わる速度と電磁波のそれは等しいので、光=電磁波 であるとしていました。

そして、ハルヴァックス(1859年-1922年)は、紫外線を亜鉛板に当てると、表面から電子が飛び出すことを発見しています。

この時、飛び出す量が紫外線の強度に依存しないし、短波長のほうが多く飛び出すということから、彼は、光=粒子 のようなものと考えていました。

そして、とどめとして、あのアインシュタイン(1879年-1955年)は、光にはエネルギーがあるとして、「光量子仮説」を考え、1921年にノーベル賞を授与されました。すなわち、「光は振動する粒子」であるという考え方です。

E=mc^2

アインシュタインの有名なこの式は、質量(物質)とエネルギーはいずれも同じようなもの だということを表しており、そこに光が関係していることが示されています。

そうして、「光=光子という粒子の一種」という量子論が発展してくるようになるのですが、当のアインシュタインはこの世を去るまで、確率で表現する量子論を受け入れなかったという話は有名です。

しかし、現在では、この量子論がなければ、いろいろな現象が説明できないとされていますし、それを利用して製品の実用化に貢献しているのですが、この量子論は、たしかに、感覚的に捉えにくいので、アインシュタインは、なんとか自説で切り抜けたかったのでしょう。

もちろんそれができないままに他界したのですが、自然はそんなに単純に説明できるようなものでは無いようで、現在に至っても、相対論や量子論を持ってしても、自然界の現象を説明できないという状態で、それぞれの理論に矛盾点が含まれた状況が続いていると言われています。

 

アインシュタインなどの考え方と並行して、1897年に電子が発見され、1911年に原子核が発見されており、原子にも内部構造があることがわかってきます。

いわゆる、原子構造がわかってきます。

そして、1919年に「陽子」が、1932年には「中性子」が発見され、原子核が陽子と中性子によってできていることがわかってきます。

さらに、それらを結びつけている「もの」がある・・・という、素粒子を含めた原子の構成などの微細な世界がわかってくるようになります。

この原子の中のミクロの探求は現在も続いているのですが、その素粒子の一つが「光子」ですし、その反対のマクロ側には、とてつもなく巨大な宇宙の探求があります。それには「光」が重要な道具になっています。

光の性質を用いて、宇宙などの大サイズの現象をよく説明できるのが「相対論」ですが、それは、微小な世界が表現できないことがあって、このミクロの探求のために、一気に量子論(量子物理学)が進んでいくことになります。

量子論で考えた「光」は

黒体放射のエネルギー分布黒体放射のエネルギー分布の例(WEBより)

1900年にマックス・プランク等は、黒体放射のエネルギー分布から、これは「量子化された物質の持つ性質で、光そのものの性質ではない」とし、アインシュタインも、「光は特定のエネルギーしか持てない、波でも粒子でもない どちらかの性質を持つ「光量子」と考えるべきだ・・・」という考え方をしました。

1924年にド・ブロイは、すべての物質(素粒子)は、波動的性質を示すことや、逆に、波も粒子の性質があるとする「物質波の理論」を提唱し、1925年には、ヴェルナー・ハイゼンベルク、マックス・ボルン、パスクアル・ヨルダン等がそれを定型化して行列式であらわしました。

さらに、シュレディンガーは波動力学とシュレディンガー方程式で物質の持つ運動量や位置を表す方法を示し、波の性質として説明されてきた干渉縞を量子論で説明してきました。

そして、ボーアハイデルベルクは「コペンハーゲン解釈」と言われる量子の状態の考え方から、「量子の状態は、重ね合わせで表現でき、どんな状態にあるかが決まらない(不確定性)こと、そして、その状態を観測すると、観測に対応した状態に変化してしまうこと、さらに、その状態は、確率密度として表現されること」・・・などを明らかにしてきました。

これらによると、もはや、「ここに量子が存在する・・・」ということがわかっても、量子自体は、それを特定できない「幽霊のような存在」だというのです。

その後1927年頃に、ディラックによって、その量子力学と特殊相対性理論(光の速さは一定で、すべての慣性系における物理法則は同形でなければならない)が統合されて、素粒子論としては、今日の基盤が出来上がりました。

 

これら、幽霊のような挙動を示す「素粒子」ですが、この考え方によって、現在では、原子時計や顕微鏡分野など、いろいろな分野で応用・実用化されています。

しかし、相対論が微小な世界を表現できないことと同様に、量子論では、大きな宇宙などを解明することができていない・・・という、それぞれの理論ですべての状況を説明できない部分が現在でも残っている状態・・・だといいます。

そのこともあって、足りない部分を補填するために、さらに色々な考え方(仮説)が乱立しているというのが現状のようです。

光は粒子であるのに質量がない?

この「光(光子)」ですが、現在のところ、質量はゼロとされています。

しかし、電子を弾き飛ばすのだから、エネルギーがあるとすると質量があることになり、そうすると、光速で進めない・・・という矛盾がでてきます。

それが現在の考え方の状況です。

 

ここは専門書ではないので、この程度の状況説明にしておいて、次は、光は粒子であり、それは「物質」か・・・というところを見てみましょう。

素粒子論では、もっともポピュラーな標準模型(標準理論)というものから「光」が何か・・・を見ていきます。

物質という言葉を考えるときに

物質とは?」と問われると、一言で答えるのは難しいのですが・・・

物理的にいえば、①物体を形作るもの  ②別のものに変化できない性質を持つもの  ③質量があり、空間にあるもの・・・などと「物質」について説明されます。しかし、これでは、何か足らない感じがします。

化学的にいえば、①自然の状態にあるもの、または、②ある製造過程で得られる化学元素及びその化合物・・・というのが物質だと説明されます。しかしこれでも、何か足らない感じです。

そしてそこに、「素粒子論(原子物理学)」というのが入ってきました。

ただ、このことで、さらに混乱させた感がある・・・というのが、皆さんが持っている感覚かもしれませんが・・・。

 

素粒子論的には、我々が眼にしている物質のすべてが素粒子でできている・・・としています。

物質を構成する粒子(WEBの図を利用)

素粒子論で最も主流のものに標準理論(標準模型)という考え方があり、ここでは、物質を構成するものは、この17種の素粒子だとしています。

ここでは取り上げませんが、この他に、現在では発見できていない「重力子」という、重力を生み出す素粒子があるとされており、それが見つかった?というニュースもあります。(確定していません)

もしも「重力子」などの、よくわかっていない素粒子が「実在する」と確定すれば、これらは、宇宙を作っている重要なものである可能性が高いということになるので、現在各国の原子物理学者や天文学者は血まなこでこれを探している段階です。

 

ここで、この標準理論では、「重力」自体が非常に小さい要素なので、標準理論上では無視してよい・・・という立場をとっています。それくらい小さい・・・ということで、ここでも、それに沿って話をすすめます。

 

この17種についてこの図を大雑把にわかりやすく言うと、物質は6種類のクオークと6種類のレプトンでできており、それが「物質」として存在するために、ゲージ粒子がそれらを結びつけている・・・と考えてください。

本題の「光」は、ここにある「光子」です。

これは、標準理論で分類すると、ボソン(ボーズ統計に従う粒子)のうちのゲージ粒子に分類される光子(フォトン)で、電磁相互作用(電気力・磁気力として現れる力)を媒介する素粒子・・・とされます。

ここでは、それに触れる前に、素粒子を考えるときに必要なことに触れておきます。

現在の素粒子論の状況と問題

上にあげた17種の素粒子は、自然界で単独に存在しているものを見つけたというのではなく、宇宙線の観測加速器という人工の装置を用いて、人為的に生成反応を起こさせて発見されて研究されてきているものです。

その性質を説明するために色々な考え方があり、上の標準理論は、ゲージ場理論という「場」の考え方や、量子色力学、ワインバーグ・サラム理論などが合わさって、これらによって、自然界にある物質を作っている、強い力・電磁力・弱い力などが説明されています。(自然界は4つの力で構成されているとされますが、残りの力「重力」については、よくわかっていません)

ところが、ゲージ場理論は、素粒子には質量があってはいけないという考え方で構築されてきました。

しかし、加速器などの測定によると、クオークやレプトンに質量があることがわかっています。(素粒子全てに質量があるかどうかは研究途上です)

これを解決するために、(これも研究途上ですが)「ヒッグズ場」という、標準理論の基になる「ゲージ場」ではない新しい状態を考えるとうまくいくというのです。つまり、ヒッグズ粒子の中に宇宙全体があるとして考えると、辻褄が合うといいます。

この考えをもとにして、ビックバンが起こったすぐ後に、真空の相転移が起こり、さらにその真空がヒッグス粒子に包まれたと考えると、クオークやレプトンがその中を動くときの抵抗が「質量」とすれば、「光」はヒッグズ場と反応しないので、質量はゼロであり、そのために光子は光速で飛び回ることができるということになります。

その他質量のある粒子は質量があるために、当然、そのスピードは質量のないものと比べると遅くなる・・・として、粒子の状況が説明ができるというのです。

しかし、このヒッグズ粒子はすでに存在が確認されていますが、これが標準理論で示されているヒッグズ粒子と同じものかどうかもわかっていない状態です。(ややこしいのですが、解明途中なので、こう言える以外には仕方がない状態なのです)

 

現在は、このヒッグス粒子がCERNの加速器で発見されたあと、その状態(正体)が調べられている段階ですが、もしもヒッグス粒子が質量(=エネルギー)を持っているとすると、宇宙の質量の23%を占めるとされているダークマター候補のひとつになるとして注目されています。

これも、この程度のこと以上のことが言えません。つまり、今のところ、よくわかっていませんし、そうではないという意見もあるのが現状だからです。

・・・となると、このように、すべての物質(または素粒子)の状態が完全にわかっていないところを補充するために、いろいろな意見や理論や考え方がでてきます。

しかし例えば、ある1つの有力な理論が発表されても、それがノーベル賞に匹敵する理論と言われるまでにもかなり年月がかかってしまうのですから、これらの意見の集約にはまだまだ時間がかかるということです。(今年のノーベル物理学賞の成果も、数年や十年以上前のものですから)

そうなるまでの時間(期間)に、様々な意見考え方が交錯するのは当然です。また、それら諸説との関係(正しいのかそうでないのか)を区分けしていくのは複雑で大変な作業ですし、近年では、人間が知覚できない「多次元」の話などが加わってくるなどもあって、ますます、何が何だかよくわからない「混沌とした状況」になっているというのが現状のような気がしています。

これらの中には、もちろん宇宙論に関係するものも多く、現在の基本理論を根本的に覆すものもあるようです。極端な話では、アインシュタインの相対性理論が間違っているという考え方もある状況です。

学問研究の世界ではこのような諸説が交錯して混沌としているのは困ったことではありません。これらによって科学が好ましい方向に進歩していくのですから・・・。

ただ、3次元に生きる私達が、4次元すら理解しにくいのに、超ひも理論のような10次元や11次元といったの多次元を理解するのは困難です。

これらは、科学雑誌のネタ話としては結構面白く、私も大好きなのですが、興味が持てる書き方で平易に紹介される本が少ないのが残念です。

(参考)そのなかでも、BLUE BACKSから刊行されている、ピエール・ビネトリュイ著「重力波で見える宇宙の始まり」という本は、難しい内容でも、かなり読みやすく、面白かったので、ぜひ一度手にとって見てください 下に楽天とamazonの記事にリンクで紹介。

楽天ブックス:重力波で見える宇宙の始まり
amazon:重力波で見える宇宙の始まり

現在はどのような理論レベルの状況になっているのでしょう?

もちろん、今まで書いてきた「標準理論でいう素粒子」以外にも、いろいろな素粒子を提唱することによって、現在の世界(宇宙全体)を解明しようとする考え方などがあるようです。

しかし、その理論自体も確定していないので、百家争鳴の状態になっているのですが、例えば、何らかの理論が提唱されて、それが他者に認められるものに組み上げるまでには、科学者レベルでも難しいものですから、我々一般人がそれらの考え方を平たく理解するのはまだまだ先のことになるということになるでしょう。

ということで、長くなりましたが、素粒子の話はこれで終わりにして、そのような考え方の中にあって、「光とは何か」・・・ということについても、一つの考え方(としか言えないことになります)で、もう一度、「光」について考えてみましょう。