No.2ベストアンサー
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光子は、古典的な意味で物質ではなく、相対論的な意味でも物質でないはずです。質量を備えるものを「物質」というなら、光子には質量がないからです。
質量のある物質は、古典的には、運動エネルギーは、E=(1/2)mv^2 で、運動量 P=mv です。
特殊相対性理論では、速度vが光速cに近づくにつれ、運動エネルギーは無限へと近づきます。相対性理論での運動エネルギーの式を、vの巾乗でテーラー展開すると、初項つまり第ゼロ次項は、m(c^2)v^0 となり、第一次項が、(1/2)mv^2 となります。この後第二次項、第三次項……と無限に続き、第一次項は、その形から言うと、古典力学でいうエネルギーの式になり、第二次項以下の項の和が、v→cで、無限に発散するのです。
古典力学と特殊相対性理論の力学の異なる所は、このように、エネルギーに、第二次項以降の余分な項がついていることと、もう一つ、第ゼロ次項に、運動速度vと関係のない、数字、mc^2 が付いているということです。mc^2 は何だったのか分からなかったのですが、「静止状態(v=0)で、物質が持つエネルギー」としか考えられません。しばらくして、原子核分裂現象において質量欠損が見つかり、核分裂で放出される莫大なエネルギーと、丁度、質量欠損mにc^2 をかけたものが等しいので、「静止状態のエネルギー」とは、「物質の質量」と等価であると考えられました。
光は、相対性理論のなかでは、物質ではありません。「光子」という量子素粒子は、「黒体輻射」の現象の説明から、光のエネルギーは、とびとびの値を持ち、それは、まるで、光が、或る離散的なエネルギーを持った粒子の集合から成るようであると考えられ、更に、「光電効果」が見つかると、光は、或る特定のエネルギーを持つ「粒子」のような現れ方をするというので、これを「光量子・光子」と名付けたので、元々物質ではなく、「エネルギー量子」です。
光のエネルギーは、古典力学の式とも、特殊相対性理論での式とも異なり、そもそも、質量がないのですから、そういう式で表現できないのです。
エネルギー量子としての光のエネルギーは、E=hν で表されます。
また、その運動量は、P=h/λ で表されます。
νは、光の振動数で、λは、光の波長です。hは、「プランク定数」という或る定数です。振動数νとは、一定時間のなかで、何回光が振動するかの値で、(1/λ)は、一定空間距離のなかで、何回光が振動するかの値です。波としての光が、一定時間にどれぐらい激しく振動するかで、エネルギーは高くなって来て、また、一定空間距離のなかで、どれぐらい多くの振動があるかで、光の運動量が高くなって来ます。
このように、エネルギーの流れとしての光に、量子があるので、これを「光量子=光子」としたのですが、エネルギーの式や運動量の式が、通常の質量物質とまるで違っています。ただし、コンプトン散乱という現象では、上で決めた、エネルギーや運動量が、通常の質量ある物質と光子の相互作用で、エネルギー保存法則、運動量保存法則を満たすので、光子は、質量がゼロで、しかしエネルギーや運動量を持つ、特殊な物質だとも考えられるのです(コンプトン散乱から、運動量の式が実は決まったのですが)。
電子も、波だと考えた時、この波の量子は、光子と同じような、エネルギーや運動量の式を持つのですが、電子は同時に、特殊相対性理論でのエネルギーや運動量の式にも従うのです。従って、電子は、光速に運動が近づけば、エネルギーも運動量も無限に近づきます。
光子は、質量がゼロにもかかわらず、光速で運動しているが故に、エネルギーや運動量を持ち、電子などと衝突すると、エネルギー保存の法則や、運動量保存の法則に従うのです。
回答は、光子の質量がゼロであるからですが、もう一つは、「静止している光子はない」ということです。
光速で運動している光を量子で考えたのが光子で、電子などは、0から光速未満のあいだの任意の速度を持って運動できるのですが、光子は、運動速度は、光速しかないのです(ただし、液体のなかなどを通過すると、液体のなかでの光速は、cの90%とか80%という値になり、光子を電子が追い抜くというような現象が生じます。チェレンコフ放射という現象は、電子よりも光子の速度が、液体中では遅いので、電子のまわりの仮想光子が、運動する電子から取り残されて、現実の光・光子として出てくる現象です。cは、「真空中の光の速度」です)。
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