光は物質ですか?

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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「光は波」と教えられて、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ったのですが、電磁波であることやその他の詳しいことは教えられませんでした。

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ようです。しかし、その挙動などが現実離れしすぎていることもあって、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。

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。

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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した。

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、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、光と質量とエネルギーは同じようなもの だということを表しています。

そうして、このような「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、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で他界したのですが、自然もそんなに単純なものでは無いようで、現実的には、相対論でも量子論でも、自然界の現象を説明できないという矛盾は続いているといいます。

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・・・などで、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。

この探求は現在も続いているのですが、相対論では宇宙などの大サイズの現象がよく説明されるのに対して、微小な世界が表現できないことから、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(※)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考え方などによって、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、幽霊のような存在の素粒子ですが、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。

しかし一方では、大きな宇宙などを解明することができていない・・・という理論で説明できない部分が残っている状態ですので、これはこれで、足りない部分を補填するために、さらに色々な考え方が乱立しているというのが現状のようです。

この「光(光子)」ですが、今のところ、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。

ここは専門書ではないので、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くはありませんか?

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・・・などと説明されています。しかし、何か、足らない感じがしませんか?

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。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ではないでしょうか。

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、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。

もしも重力子などの、よくわかっていない素粒子があると確定すれば、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といえます。

ここで、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。ここでは、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たのですが、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。(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、標準理論の基本の「ゲージ場」ではない状態を考えて、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。

つまり、ビックバンが起こったすぐ後に、真空の相転移が起こり、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を「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のですが、その他質量のある粒子は質量があるので、スピードが遅くなる・・・として、その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。

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。

しかし、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。

例えば、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ります。

そうなるまでの時間に、様々な意見考え方が交錯するのは当然ですし、それら諸説との関係も、あるのか無いのかを区分けしていくのは複雑で大変な作業ですし、そこには、人間が知覚できない「多次元」の話などが加わってくるので、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、宇宙論関係するものも多いですし、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無駄なことではありません。これで科学が進歩するのですから・・・。

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、10次元などの多次元を理解するには、興味範囲を超えなければ理解できないのですが、これらは、科学雑誌のネタ話としては結構面白いので、興味が持てる書き方で平易に紹介される本があればいいのですが、あまり見つかりません。

(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、かなり読みやすかったので、一度手にとって見てください)

現在はどのような理論レベル状態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、ただ、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。

さて、改めて「光とは」ですが・・・

【性質的には】

光の性質は、波であるという波動説で考えると、太陽の光や星からの光でも、プリズムで分光すると周波数があり、波長がある電磁波なので「波」の性質でそのほとんどが説明できます。

そして、光電効果や重力レンズ(星から来る光が、大きな重力を受けると曲げられる現象)などを見ると、光が粒子であることで説明されます。

さらに素粒子論では、光は「光子」という素粒子で、電磁相互作用を媒介するガンマ線として、いろいろな状況が説明できます。

・・・これらで説明されるというのが「光」だということです。

光は、反射吸収などによって減衰し、消えてしまう感じを持っているのですが、宇宙全体を考えると、現在解明されていない見えない物質(ダークマターやダークエネルギー)の中を通り抜けてきます。

つまり、それらとは相互作用をしないものといえますので、これもまた不思議なものです。

現在のビッグバン理論では、超高温の宇宙ができて38万年経った時にようやく、宇宙全体が電離しているプラズマ状態でなくなって、そしてようやく、光(電磁波)がまっすぐ進める状態になった・・・とされていますので、宇宙の歴史はそれ以降の状態しか見えていない・・・と表現されているのはこの理由のためです。

これが宇宙の背景放射と呼ばれる電磁波が全天で観測されて、「宇宙」が発見されて、さらにその宇宙の大きさなどがわかるようになってきたのですが、波動としてのエネルギー(のようなもの)は時空の広がりで波長が極端に伸ばされたうえに、だんだん弱い状態になっていても、138億年という時を経ても消えてしまわないのも不思議ですね。

【光の発生】

光(光子)はいろいろな状態で発生します。

発熱に伴う発光だけでなく、電荷の加速でシンクロトロン放射光を発しますし、分子・原子の遷移が低エネルギー順位になるときや、粒子と反粒子が衝突して対消滅する時にも出ます。これは、粒子とも言えるし、ある種の反粒子とも言えるような感じですね。

このように、素粒子の内容が充分に特定されていない状態ですので、今後も、いろいろな考え方が出てきそうです。

その光子が光速で進むためには「質量がない」ということになっていなければなりません。

しかしこれについても、厳密的には疑問が残っているようですが、現在では、質量ゼロとして取り扱って問題がないというのが主流の考え方のようです。

このようなことから総合すると、光は物質の一部で発生した電磁波で、それは、電気力や電磁力を媒介する素粒子でもあり、その周波数の特定の範囲の電磁波が可視光として人間やその他の生物に知覚されている・・・という程度の答えになってしまうのですが、結局は、大した説明しかできませんでした。

口直しに、すこしロマンチックな話題を紹介します。

宇宙からの光が全天に満ちていないのは

星は無数に輝いており、それが全天にわたって輝いているのに、夜空を見上げると、小さな点の星しか見えません。明るくないのはなぜでしょう。

これは「オルバースのパラドックス」と言われるものです。

言い換えれば、すごい数の星が輝いていると、全天が明るく輝くはずだ・・・というものですが、そうなっていないのはなぜでしょう・・・。???

たくさんの星のイメージ

これには色々な考え方があるようです。その中で、我々シロウトが最も理解しやすそうな説明は、「星が照らす以上に宇宙は大きい」という説明がぴったりな感じがします。

宇宙は膨張しているということですが、その膨張は光の速さの制限を受けないで、光速以上に宇宙(空間)の膨張が可能というのですから、そうなれば、いつまでたっても、光が追いつけません。

だから、星のない部分は真っ暗ということですが、この内容をイメージできますか?

宇宙はビッグバンで誕生し、膨張により次第に温度が下がって、開闢38万年後には、光(=電磁波)が分離されて、そのときの光が地球に届くことによって、138億年前ごろからの宇宙が見えているといいます。(したがって、それ以前の宇宙は調べられていません)

そして、遠く離れた初期の宇宙の部分(宇宙の果て)は、空間の広がりも加わって、現在も、地球からものすごいスピードで遠ざかっているといいます。

空間が広がると、その分、遠くの星から地球への光の到達はさらに遅れます。

そして、さらに公表されている宇宙の大きさについても、新しい探査機のデータが出るたびにその数字は大きくなってきています。

調べていくほどに宇宙の大きさは膨らんでいきそうですが、いずれにしても、わからない程遠いところまで宇宙が広がっているのです。さらに、たとえ、その大きさがわかっても、絶対に行くこともできません。

138億年(時間)経った宇宙の大きさは780億光年(距離)以上だという計算もできているようです。人生100年時代といいますが、宇宙はすごいとしか言えません。

その反面、宇宙を構成する物質の5%程度が星や銀河などの「実態のあるもの」で、それ以外は、ほとんどが、それが何なのか、全く正体がわからないブラックマターやブラックエネルギーだといいます。

そして、その反対の極微の世界も、量子論や原子物理学によって、この100年程度の間で急速にわかってきたというのですが、さらにさらに・・・わからないことだらけであるというのです。

宇宙全体は「未知」で満ち満ちているというダジャレですが、今回は「光」を取り上げました。光は波であり粒子の性質を併せ持っているのですが、ここで、上に掲載した海の波の写真をもう一度見てください。

聖書に、神様が「光あれ」と言ったら光が出来た・・・と書いてあるそうです。

ふと立ち止まって、身近に光を見つめる機会があれば、ぜひ思いを巡らせていただければ幸いです。


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