光に重さってないはずなのに・・・ (1/2) - 物理学 - 教えて！goo

#13です．

私も，高校生の時には，いろいろな「相対性理論」とか「一般相対性理論」の読み物読みました．
わからなかったですね．結局のところ．

その後かなりの年月が経っているのですが，
これらの理論というのは，「
自然界の法則をある範囲で説明しようとするための便法」
ということで一応は，理解しています．
「そんなもんだ」と．

ラザフォードの実験を説明するために，「中性子」が考えられました．
また，
β崩壊を説明するために，電荷をもたず，光速で移動する「ニュートリノ」が考えられました．

光についても，前世紀には，「粒子」だ「波動」だと議論がありました．エーテル？って知ってますか？
マイケルソン・モーレーの実験や，アインシュタインの思考実験など．
結局のところ，結論はわかりにくいのです．
理論よりも，「現象論」が先にあります．

どのような根拠で何を質問されているのか説明されれば，良い回答が得られると思います．

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　光は重さがない、といっているのは、静止質量のことです。通常の物質の静止質量は、物質の持っているエネルギー運動量ベクトルの内積で与えられます（正確には、内積は、静止質量の2乗×光の速度cの2乗）。この関係を光にも適用すると、光のエネルギー運動量ベクトルの内積はゼロなので、光の静止質量はゼロと考えられます。ただし、光は常に一定の速度でしか運動しませんので、光が静止することはありません。したがって、光の静止質量がゼロというのは便宜的な値であって、物理的な意味を持ちません。
　次に、運動している光の質量についてですが、これも通常の物質の考え方を適用して考えます。通常の物質の運動時の質量は、静止質量に、運動エネルギーを光の速度の2乗で割った値を加えたものになります。光の場合は、静止質量はゼロで、運動エネルギーは振動数に比例した値ｈνになりますので、運動している光の質量は、hν/c2となります。したがって、この質量で光は重力相互作用を行っていると考えられます。（ただし、これも便宜的な値です。なぜなら、質量とは加速されにくさを表す量ですが、光は一定速度でしか運動しませんので、光の加速されにくさを定義しても意味がないからです。）
　もっと簡単には、光はエネルギーをもっており、重力は質量だけでなくエネルギーを持ったものと相互作用するので、光も重力の影響を受けると言ってもよいでしょう。
　なお、重力場での物質の運動は、その物質の質量に依存しないので（慣性質量と重力質量が常に比例するためです）、光の質量としてhν/c2を考えても、運動方程式の中には現れてきません。

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光というのは，重力でその進路を曲げられるようです．

重力の影響を受けると言うことです．

これは，「水星の近日点移動」といいまして，水星と地球の間に太陽が入ったときに，水星の位置が実際の位置よりも太陽の重力の影響で移動して見えることから実験的にも実証されています．

これらは，主に，アインシュタインの一般相対性理論の成果として有名です．

「重力レンズ」という言葉を聞いたことがありませんか？
星と地球の間に銀河系のような大質量があると，光が
曲げられて，2個の天体として観測される事です．

なぜ，光が重力で曲げられるのかについては
私にもわかりません．

一般相対性理論では，加速度運動と重力場の等価性というのがひとつのトピックスです．
これは，「重力」と「加速度運動」を同一視してしまおうという考え方です．

光は，おかしな粒子で，質量が無いくせに，「運動量」は持っています．まともな物質だと，運動量は質量×速度
ですが，光の場合には，hνですね．

人工衛星は，この太陽からの光の運動量のせいで，かなり位置が移動させられると言うことです．

このあたりの話は，とにかくそういうもんだと理解するしかない所がありますが，私も理屈については詳しく知りたいです．このご質問の回答あとでゆっくり読ませてもらいます．

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これまでの回答者は、みんな正解に近い答えを出しながら後一歩のところで、外しています。

＞光は重さがないはずなのに、なんでブラックホールに吸い込まれる（曲げられる）のでしょうか？

この質問に正解されている方は、一人もいません。

この答えは、「光は、ブラックホールに吸い込まれるわけではありません」です。

ブラックホールには、「事象の地平線」というこの宇宙空間とブラックホールの空間を分ける２次元空間が存在します。（一番よく知られている、シュワルツシルド解では、この空間は球面です）
この「事象の地平線」の外側では、光はブラックホールに近づくにつれて、「重力による赤方偏移」を起こし、振動数はゼロに限りなく近づきます。
そして「事象の地平線」の内側では、光はブラックホールの中心（特異点）へ進みます。（これは、別にブラックホールに吸い込まれる訳ではありません。「事象の地平線」の内側では、空間と時間が入れ替わっていて、ブラックホールの中心が、時間軸の未来方向になっているためです）

つまり、「光がブラックホールから脱出できない」というのは、こういう理由からなのです。
そして、「脱出できない」という言葉を「吸い込まれる（曲げられる）」と誤解している人がたくさんいるのです。

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＜ニュートリノの質量について＞
KEKと神岡間のK2Kの実験は、μニュートリノとτニュートリノのニュートリノ振動があることの間接的な証拠を示したものです。高い確率でニュートリノ振動がありうることが示されましたが、本当にニュートリノ振動があるかどうかを判定するには、μニュートリノがτニュートリノに転換したこと、つまりτニュートリノを直接測定する必要があります。ヨーロッパのCERNではτニュートリノを測定するOPERA実験が2005年から計画されていますが、科学的にニュートリノの質量があることを100%確定するにはこの実験を待つ必要があると思われます。

＜光の質量について＞
また、光の静止質量については、実験的にその上限が測定されています（Physical Review Letters, vol 26, Num 12,1971）。これによると、光の静止質量の上限は1.6x10^(-50)kgだそうです。また、理論的にも光に静止質量があると、相対論（特殊および一般）、電磁気学を根底から見直す必要があり、将来現れる理論で修正を受ける可能性はほとんどないと考えられます。

但し、光は静止質量はゼロですが、エネルギーは持っいます（＝光速×運動量）。重力は静止質量ではなくてエネルギーに対して働くので、重力質量は持っていると考えることができます。

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６，９　の方にお聞きしますが、ニュートリノの質量について，先日茨城の粒子加速器から岐阜のスーパーカミオカンデに向けてのニュートリノ捕捉実験が行われました。実験の結果は質量の存在を推定するに足る結果であったと記憶しております。確かに理論的に確定したわけでは有りませんが、小柴教授がノーベル賞を取られた理由の一つにこのニュートリノの質量の存在の予言があったと思います。以上の事からニュートリノの質量の存在を肯定しても良いのではないでしょうか！

私は、相対論、量子論の数式を理解できませんが、
ただ、相対論から導かれる宇宙のエネルギーの総和と実際の宇宙から推定されるエネルギーの総和がイッチしない、ニュートリノの質量を加えても未だ一致を見ない事を考えれば、或いは２０年程前には、理論上、やはりニュートリノの質量も無い物と考えられていた事から光の電磁相互作用から考えられる光の質量がゼロで無ければならないという事も絶対の事なのでしょうか？

相対論では確か宇宙は収縮に向かわなければならなかった筈ですが観測値では膨張に向かっている様です。確か其の時の記事では、これらの事を合理的に繋げる新しい理論の登場がのぞまれる。とありましたがこれ等の事象を完全に解き明かす理論と数式は未だ無いと認識しているのですが!!

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補足です。
ニュートリノに質量がある可能性はあります（確定したわけではありません）が、光に質量がある可能性はありません。光は電磁相互作用を媒介する粒子であり、電磁相互作用は遠距離まで届く相互作用であることがわかっています。そのような相互作用を媒介する粒子は質量がゼロでなければならないことが分かっています。質量がない粒子の軌跡が曲がるのは先に述べたように、ブラックホールにより４次元的にまわりの時空が歪曲し、測地線＝光の軌跡が歪むからです。

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アインシュタインが人生最高のひらめきと言った内容が「光が直進する」と「光が重力の影響を受けて曲がる」を矛盾なく説明するであった。
結論としては空間が曲がるため、光が曲がったように進む、だった。
空間がいがめば光の進む方向が曲がって見える、ということではないでしょうか？

ちなみに、ニュートリノの質量が発見されたくらいなので光子にも質量があるのではないですか？

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　ちなみに。

　光には重さはあります。
　エネルギー量子という、粒子とエネルギーの中間の性質を持った物質で、純粋なエネルギーではないので重さを持つのです。
　曲がった空間に沿ってブラックホールに入っていった光が、曲がった空間に沿って再び出てくるようなことがないのはそのためです。
　ただし波長によっては出てこないわけではなく、超長波だったか超短波だったかは出てくることができるらしいです。

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アインシュタインの一般相対性理論からすると、ニュートンの万有引力の法則は重力が弱くて速度が遅いときの近似の理論であるということができます。ですので、その条件が成り立たないときは万有引力の法則からずれたものとなります。例えば、ご質問の場合、ブラックホールの質量は非常に重いので重力は非常に強く、また光の速度は他のどんな物体の速度より速いので万有引力の法則の予測とはまったく違った結果となります。他の方のいわれる空間の歪みというのは正確ではなく、正しくはブラックホールによって４次元時空の歪みが生じ、光の奇跡が変更を受けます。光がブラックホールから一定の半径（シュヴァルツシルト半径）内で発生すると、光はいかなる方向に発射された場合もブラックホールに落下してしまい、外へでることは無くなります。このような、万有引力の法則からのずれは、太陽による重力でも観測することができます。水星は太陽の回りを楕円軌道を描いていますが、万有引力の法則から計算するとその軌道はずっと変わりません。しかし、アインシュタインの一般相対性理論で計算すると、水星が太陽に一番近づく点が少しずつ太陽の回りを回転して移動します。これを近日点移動といいます。これは観測結果と一致します。また、太陽のふちをかすめる光は、太陽の重力によって1.75''だけ屈曲します。これも、観測結果と一致します。

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