光の粒子について

私は高校3年生です。
ずっと前から疑問で、光の成分について調べてみました。すると光の成分はざっと言うと光の粒子だと出てきたんですけど、その粒子はどこから出てきたのですか？

例えば、懐中電灯やスマートフォンはスイッチや電源を入れると明るくなります。それは、光がでているからだと思います。しかし、電源を入れる前まではそこには光がなかった、すなわち粒子はなかったのではないかと思います。

これはどういうことなのでしょうか？

それとも、この疑問自体に間違いがあるのでしょうか？その場合、そこを訂正してほしいです。

拙い文で申し訳ありませんが、理解ができた方、分かる方はどうか解答願います。

No.11 回答者： s_hyama 回答日時： 2020/05/04 10:35

また、迷わせる輩が現れるので、

二重性などという言葉は、その意味が数学的に定義され ているのでない限り、科学で使うべきではない。問題提起 としてなら良いが、結論として教えてはいけない。
http://www.miyazaw1.sakura.ne.jp/papers/quantum. …

そういうのは簡略化して慣習を説明しようとした物理学教育の間違いで、光は粒子でも波動でもないよ。

No.10 回答者： chiha2525 回答日時： 2020/05/04 07:59

光は、マクロでは波として考えたほうが良いです。

電磁波の一種でしかありません。電磁波というのが何かを考えると、いろいろとハマれますｗ
光が、粒子としての性質が現れるのは光電効果とか、まぁミクロに近い状態の時です。

”波か粒子か”ではなく”波でもあり粒子でもある”というものを量子といいます。電磁波のように波に見えるものも、電子のように粒子に見えるものも、実際には全部この量子というものであったことが分かっています。

No.9 回答者： go 回答日時： 2020/05/04 00:00

光は「粒子」だと考えないと説明出来ない現象があるし、「波」だと考えないと説明出来ない現象があります。

これらは実験して得られる事実です。

電源を入れる前は光の粒子がなくて、電源をいれると光の粒子が現れる。どこから来た？と思うのは粒子が丸い粒をイメージするからですね？でも実は光がどんな物か今現在も分かっていないんです。
球体のビー玉を凄く小さくした形なのか、ミミズを凄く小さくした形なのか、はたまたココから向こうとこっちといった粒子の境界があるのかないのか よく分かっていません（時には 実態がないとも考えられています）。

そこで何故 光の粒だなんていうのか？実験の一例をあげます（恐らく疑問でしょう？☺）。
光が当たると電圧を発生する装置があります。その電圧をオシロで観測すると、なるほど強い光だと高い電圧、弱い光だと低い電圧が観測できます。光源と測定器の間にサングラスを沢山いれて　どんどん光を弱めていくと、ある所から電圧が落ちずにパルス状の波形が現れだします。もっと光を弱めると　パルスがパラパラと粗になっていきます。電圧の高さはかわりません。光を遮蔽するとパルスは出なくなります。
（実はこの装置 自作しました エヘン☺、有名なのは光電効果ですが･･･☺）

どうですか？丸いか四角いか実態がないか 分からないけれど、光の最小単位があって これは光の粒子と表現してよさそうじゃないですか？
エネルギーだなんていうと実態がないイメージで捉えられるでしょう？それでも 最小単位があるから これを粒子と表現しています

恐らくここかなと思った所を解答しました。外してたらゴメンなさい。

No.8 回答者： s_hyama 回答日時： 2020/05/03 12:46

>光は電磁波だから電気から作りだせる。

粒子のことを触れずに、前回答したら変な先入観を入れる人が多いので、

光の波は電磁波だから・・・

そういうのを、光の粒子性と波動性とかいうのであって、
光がなにかは、ちゃんとした定義はないのだけど

光の波の媒質は、光とか電磁場であるとすると、物理的にはOKだよ
その光のエネルギーが他のエネルギーに変わるときに粒子性が現れるのね

No.7 回答者： himagene 回答日時： 2020/05/03 12:35

面白い所に目をつけましたね。

物理は数式を使った定量的説明をしなければならないのですが、それはご自分で興味があれば勉強してください。

光はどの様にして発するか？との疑問に一言で答えると「電子が高いエネルギー状態から低いエネルギー状態に変わる時に、高低のエネルギー差に見合う光子を生み出して放出する。（分子の運動でも似た様な機構で光を出します）」でいいと思います。

電子や分子が関わるエネルギーは普通の環境ではmeV（ミリ電子ボルト）からkeV（キロ電子ボルト）程度なので、それに対応した波長の光（遠赤外線からX線）を出します。
電子だけでなく原子核でも光を出すことができるのですが、高低のエネルギー差はMeV（メガ電子ボルト）程度なので、ガンマ線領域になります。
以下、電子に限って話を進めます。プリズムで光を波長に分解したスペクトルは、ネオンサインやLEDの様に特定の波長にしか現れない(1)線スペクトルと、太陽光の様な(2)連続スペクトルの２種類があります。(1)線スペクトルは原子や分子の構造に由来するものです。原子核に周りの電子はそれが持つエネルギーによって原子の構造で決まる飛び飛びの場所（軌道の高さ）を占めます。何らかの原因（高エネルギーの光や電子の衝突など）によって原子内の電子がエネルギーをもらうと高い軌道に移ります、高い軌道にいられる寿命が決まっているのでその寿命に応じた時間で電子は下の低エネルギー軌道に移り、その時に線スペクトルの光を発します。(2)連続スペクトルは、電子（一般的には荷電粒子）が加速度を受ける時に光を放射する「制動放射」が大元です。加速度は、電子の衝突や振動によって電子の軌道が曲げられる時に起こります。一方、物質は温度が上昇すると、それを構成する原子・分子が「熱振動」といってデタラメな動きをします。当然、電子も動きますから、制動放射が起こります。デタラメ（正確にはボルツマン分布に従う）な動きなのでそれぞれの電子に掛かる加速度もまちまちであり、様々な波長の光からなる連続スペクトルになります。光の放射によって運動エネルギーは減少しますが、すぐに周りの熱で補充されます。放射に関する正確な議論では光の吸収と再放射も考える必要がありますが、今回の回答では本質的ではないので省きます。
つまり、最初と同じ事を言い換えただけですが、「加熱（原因は何でも良い）によってエネルギーを得た電子がそのエネルギーを失う過程で光を放出する」と言えます。
なお、レーザーの場合は、線スペクトルですが、上記の説明で述べた様な一定の寿命を持つ「自然放射」ではなくて、「誘導放射」という一種の強制振動で高い軌道にある電子からエネルギーを引出します。
所々に、キーワードを入れておきましたので、自分で調べてください、

No.6 回答者： puyo3155 回答日時： 2020/05/03 10:41

光は、粒子でもあり、波でもある。

高校生の知識ではなかなか解決しませんね。

もっと言うと、最先端の物理では

この世の、物質や力を伝えるものは、１７種類の素粒子から出来ている。それらは、すべて空間がエネルギーで振動して伝わる波であるが、その波が相互作用を受けずに伝わるときには、粒子のように見える。

ってことになります。すべては波なのです。私たちの体を作る物質も、その辺の物も、すべてです。

質問になんちゃってで答えるとすれば、懐中電灯の電池がもつ電気エネルギーが、電球で変換されて、光を生み出したってことになります。
光だけでなく、あらゆる物質は、この世に生まれたり、逆に消えたりすることができます。

No.5 回答者： kothimaro 回答日時： 2020/05/03 10:04

光は粒子でしょうか、それとも波でしょうか。

それを考えるには、何故光は光速度cを超えて進まないのかがヒントになります。光が粒子であれば、更にエネルギーを加えると、幾らでも速く動きそうです。しかし、現実にはその様なことは起こりません。それは何故でしょうか。

　現在の物理学では、「超ひも理論」が最も有力視されています。そして、宇宙を次の様に想定します。
　宇宙開びゃくの瞬間、宇宙は非常にエネルギーの高い状態にあり、個々の「超ひも」は自由に空間を動き回っていました。しかし、宇宙のエネルギーが、10^19GeVになった時、「超ひも」は第1回目の相転移を起こしました。相転移とは、水蒸気が冷えて氷となる様な現象を言います。水蒸気として自由に動き回っていた水の分子は、冷えて相転移を起こし氷の分子として固定され、もはや自由には動き回ることが出来なくなります。

　ここからは、オリジナルです。
　ビッグバンの初期には、「超ひも」は光速を超えて自由に移動していました。しかし、宇宙のエネルギーの低下に伴い、宇宙は相転移を起こし、「超ひも」は固定され網状に繋がったと考えます。「超ひもの網」は、M理論の3次元の「ブレーン」です。
詳細は、下記ホームページを参照ください。
http://catbirdtt.web.fc2.com/mukaranoutyuunosous …

ですからインフレーションと言うのは、宇宙創成の5.39×10^-44[秒]後に始まって、10^-33秒後に終了した宇宙の異常膨張のことを言います。インフレーション前の大きさは、プランク長lp(1.616229×10-35[m] )でしたが、これがインフレーションにより直径1[cm]程度の大きさになったのです。
ここで、宇宙のエネルギーは10^19GeVに低下し、バラバラに飛び散った超ひもが網状に結び付いて行きます。
水蒸気から氷になると、3次元空間を飛び回っていた水の分子が3次元で結合するので小さくなります。
しかし、宇宙開闢時の空間は9次元まであります。そして9次元のひもは、3次元の立体(=①1辺がプランク長lpの立体Dブレーン)です。
つまり、直径1[cm]程度の9次元の球体の中に無数の3次元のひもがあり、これが3次元空間で結び付いて行くのです。したがって、結合したブレーンの大きさは、直径1[cm]程度の3次元の球体からどんどん大きくなって行き、最終的には3次元の宇宙空間を埋め尽くします。
そして、残りの6次元には「ブレーン」がないので、物質の重力によりプランク長まで収縮しました。その結果、宇宙空間は「3次元のブレーン=超ひもの網」で満たされたのです。

　そして、その「超ひもの網=3次元のブレーン」の上を、物質や光及び重力・電磁力・強い力・弱い力の4つの力は、振動として伝わると考えます。つまり、物質が移動して見える現象は、実は超ひもの物質としての振動が、次々と隣の超ひもに伝わる現象であると思います。そして、「超ひも」の振動自体が光速で伝わるので、何ものも光速以上で伝わることは出来ないのです。

　超ひも理論では、物質も光も一本の超ひもの振動として表現されます。超ひもの長さをプランク距離Lと言います。振動が超ひもの端から端まで伝わるのに要する時間をプランク時間Sと言います。超ひもの振動は光速Cで伝わります。従って、
　光速C=プランク距離L÷プランク時間S=L/S= 1.616199×10-35ｍ÷5.39106×10-44秒=299,792.5m/秒となります。

　ここで注意したいのは、１本の超ひも上を光は光速で振動として伝わることです。そして、真空中も同じ光速で光は伝わります。これは単なる偶然でしょうか。
　真空中には、超ひもが繋がったものがあり、その上を光はそのまま光速で伝わっていると考える方が自然です。

　上記で述べた通り、幾ら光の質量が0でも、光が粒子なら、エネルギーを加えると更に幾らでも加速するはずです。なぜ、光の速度は299,792.5m/秒が限界なのか、そのヒントは１本の超ひも上を伝わる光の速度が光速であることにあると考えます。

　本来は、物質も光と同様に光速で「超ひもの網」上を伝わろうとします。しかし、「超ひもの網」である空間にはヒッグス場があり、物質がその中を移動すると、ヒッグス粒子が生じ物質にまとわり付き動き難さである質量を与えます。その為に、物質は光速未満でしか動くことが出来ないのです。

　私は、この理由により物質は光速未満でしか移動出来ないと考えます。相転移する前の宇宙は、超ひもが繋がっておらず、自由に飛び回っていたので、光は光速を超えて移動することが出来ました。インフレーション理論でも、宇宙開闢の一瞬あらゆるものは光速を越えた速度で飛び散ったと考えます。その後、宇宙は相転移し、超ひもが網状に繋がったので、光は光速で真空中を伝わる様になりました。

　この様に、光は「超ひもの網」上を伝わる波と考えます。詳細は、下記のホームページを参照下さい。
http://catbirdtt.web.fc2.com/hikarinosokudogakou …

No.4 回答者： tanzou2 回答日時： 2020/05/03 07:13

光が何なのか、についてはかつて粒子説と

波説が対立していました。

現代では、粒子の性質を持った波である、
つまり量子だ、ということになっています。




その粒子はどこから出てきたのですか？
　↑
電気エネルギーが光りエネルギーに
転換されただけです。

粒子が出てきた訳ではありません。
光は電磁波の一種です。

電気で電磁波を発生させたのです。

No.3 回答者： tknakamuri 回答日時： 2020/05/03 05:57

どこからでも。

光は電磁波だから電気から作りだせる。
電球の光は、電流により熱せられて激しく振動する
フィラメントの金属原子から放出される。
つまり熱エネルギーが光のエネルギー(電磁波)に変換される。

因みに光が粒子と言われているのは、光が他と相互作用する時の
やり取りするエネルギーに最小単位が有るということで、
形が粒ということじゃ無い。

No.2 回答者： s_hyama 回答日時： 2020/05/03 03:29

電源をいれると、電気エネルギーが流れ、光のエネルギーに変換されて

ぞれが目に届いて、逆に電気エネルギーに変わって神経が脳に伝える