どうして、光子の質量は0ですか。

箱の中に光子をたくさん閉じ込めて、箱に一瞬、穴があいて、そこから、光子が1個だけ出ていくとします。
(アインシュタインの光子箱)

光子が1個出ていくと、箱の質量は、1個の光子のエネルギーに相当する分だけ、減ります。

これについては、異論がないのに、どうして光子には質量がないと言うのですか。

質問者からの補足コメント

• どこのサイトですか。

  No.14の回答に寄せられた補足コメントです。 補足日時：2023/06/09 00:36

• どこのサイトですか。
  
  熱心に質量について調べた結果、発見したのですね。
  
  黙っていれば分からないのに、あえて、(笑)までつけて、思わせぶりに、におわせる意図は何ですか。
  
  物理とは違うところに行かないでくださいよ。
  
  というか、どこのサイトですか。そういうのは、失礼だという認識を持ちましようよ。
  
  まず、サイトを明らかにしてくださいよ。

  No.15の回答に寄せられた補足コメントです。 補足日時：2023/06/09 19:41

No.1 回答者： Tacosan 回答日時： 2023/06/05 21:53

あなたのいう「光子の質量」はどう定義されているのですか? そして, それは「一般的な物理学における定義」と一致するのですか?

No.2 回答者： EZWAY 回答日時： 2023/06/06 01:31

1個の光子のエネルギーに相当する質量と言いますが、それは光子の質量ではありません。

光子の振動数をνとすれば、E=hνとE=mc^2の式を使えば、質量mに変換できます。
しかし、それは光子のもつエネルギーを質量に変換しただけであり、光子の質量ではありません。
あなた自身も「１個の光子の分だけ質量が減る」ではなく、「１個の光子のエネルギーに相当する分だけ」質量が減ると書いているではありませんか。
つまり、前の式から計算した、m=hνc^-2だけ減るということでしょ？

No.4 回答者： puyo3155 回答日時： 2023/06/06 09:26

電磁気学的に言えば、電磁波だから質量はゼロ。

また、光子ということで、量子論的に言えば、ゲージ粒子の質量がゼロなのは当然です。ゼロじゃなければゲージ粒子になりませんから。光子の質量がゼロな理由はこれだけです。それをもとに構築した理論が、観測事実と一致しているからこそ物理学の体系が出来てる。まずこの事実を理解することです。

その上で、一部だけ見ると矛盾に思える式や現象（質問もその一つ）の理解がいいと思います。つまり、矛盾に見えた現象から、質量があるのではないか？と問いかけても無意味なのです。質量がないのに、そのように見えるのはなぜだろう・・・これが、必要な思考の順番です。

余談ですが、すべてのゲージ粒子の質量はゼロですが、その中でヒッグス場と相互作用する素粒子のみ質量を持ちます。弱い力を伝えるウイークボゾンが代表です。これは、もともと光子の仲間だったのです。光子はゲージ場と相互作用しない、だから光子の質量はゼロです。それ以上でも以下でもないのです。これが、今のところの物理学の結論です。

ここまでで光子に質量がない説明はおしまいです。

さて、例示された現象ですが、相対論的に言えば

エネルギー　＝（静止）質量が持つエネルギー＋速度（運動量）の持つエネルギー

の合計ですから、（正確な式は、相対論的エネルギーで検索を、E=mc^2は、運動量ゼロのときの静止質量とエネルギーの変換式）さて、光子のエネルギーは、質量ゼロなのですから、すべて速度（運動量）の持つエネルギーということになります。光子は止まらないので、イメージもぴったりです。

＞箱の中に光子をたくさん閉じ込めて、箱に一瞬、穴があいて、そこから、光子が1個だけ出ていくとします。(アインシュタインの光子箱)光子が1個出ていくと、箱の質量は、1個の光子のエネルギーに相当する分だけ、減ります。

そのとおりですね。なにも不思議ではありません。

まず、箱の中入って、光子をミクロに見れば、光子は静止することはなく、すべて運動量としてエネルギーを持っている。光子箱は、それが箱に閉じ込められていて、箱自体は静止していることがミソです。

それを箱の外から、今度はマクロの物質として観測すれば、箱は静止しているので箱の運動量はゼロ。すべてのエネルギーは、箱の質量として観測されます。このように、光子単体を見たミクロの現象と、箱を系として捉えるマクロの現象は、状況によって変化します。これが、マクロ現象とミクロ現象の違いです。

光子が１つはこの外に出れば、その分箱のエネルギーが減ります。飛び出た光子が運動量として持っていたエネルギーが、箱の持っていた全エネルギーから減るのです。それを、箱を観測すれば、光子が持っていたエネルギーを質量に換算した分だけ、箱の質量が減るってことです。光子が質量を持っているわけではありません。系からエネルギーが出れば、静止した系では、質量の増減として観測される・・・ということです。

No.5 回答者： tknakamuri 回答日時： 2023/06/06 10:04

相対論的質量というのは、通常我々が質量と呼んでいるものとは

違った性質を持つので注意した方がいい。
#粒子を押す方向で値が異なったりする。
ランダムに運動する粒子の集団としては通常の質量と変わらない
性質を持つようなるけど、単独の粒子では質量と呼ぶには
いろいろ問題が有る。別に考えた方がいろいろ楽。

No.6 回答者： puyo3155 回答日時： 2023/06/06 11:40

＞箱は静止していなくてもいいのではないですか。

静止させた方が分かりやすいから静止させているだけです。

箱が動いているなら、その分だれかが仕事をし、箱が運動量起因のエネルギーを持つってことです。

＞(箱)というものを(箱だけ)+(光子だけ)としたとき、(箱)を動かした場合に増える質量は、(箱だけ)の分ということですか。

箱を動かしても質量は増えませんよ。質問の式は、そのようにみなせるという、あくまで形式的なものです。箱を動かしたとき増えるのは、すでに説明した通り運動量です。下記は端折った式ですが、相対論的エネルギーと、静止エネルギーで検索すれば出てきます。それを変形したのが、質問の式です。

エネルギー　＝（静止）質量が持つエネルギー＋速度（運動量）の持つエネルギー

つまり、動かした時、その仕事の分運動量原因のエネルギーが増えます。
繰り返しますが、質量が増えるわけではありません。

また、箱はマクロな物質です。マクロとしてあつかったときは中身をといません。中身は区別できないとしてもいいでしょう。人間が走って、運動量をもつとき、その構成要素の原子や素粒子をいっさい気にしないことと同じです。

No.7 回答者： puyo3155 回答日時： 2023/06/06 21:49

>電磁波だからですか。

それとも波だからですか。波だとして、波には質量はないのですか。

どちらもです。波に粒子のような実態はありません。変位が伝搬しているだけなので、質量という概念はありません。

＞そもそも波はエネルギーがあるから発生しますよね。そして、エネルギーと質量は等価と言います。

止まっている（厳密に言えば違うが）物質の質量はエネルギーと同等ですってだけです。止まっていて運動量や運動エネルギーを持たないときも、質量相当のエネルギーを持ちますよって言い換えられます。止まらない、粒子としての実態がないものにその概念は使えません。

＞そこで、等価というのは「お互いに変換し得る」ということですか。それとも、エネルギーは、そのまま質量で質量はそのままエネルギーということですか。

言葉のいいかをしても不毛です。核反応のように質量欠損が熱エネルギーになる場合は変換とも言えるし、素粒子と反粒子が対消滅した場合は、質量が消えて、光子のエネルギーに化けた・・・とも言える。高エネルギーで素粒子をぶつけると、さまざまな素粒子が、エネルギーから生成され、質量をもつ素粒子が生まれます。質量もまた、運動エネルギーや、位置エネルギーとおなじエネルギーの形態のひとつということです。

＞ゲージ粒子の質量がゼロなのは当然です。～しばらく。
＞ここの下りは、よく聞かされますが、意味が分かりません。

わからなくて当然です。野球を始めた小学生が、大谷のホームランの打ち方がわかりません・・・と言っているのと同じです。この世のすべての素粒子は、このゲージ理論から導かれます。ゲージ対称性を説明した動画もWiKiもあるので、見ればイメージはわかります。

＞そう言うと、勉強しなさいと言われます。勉強しなさいと言わずに、どういうことか教えていただけると幸いです。

この世界には、なぜが場が存在しその場にゲージ対象性があることを要請すると、素粒子、相互作用、運動、保存則などが決まってしまうということです。現代物理の基本スキームであり、実は古典力学も、電磁気学も、同じようなスキームで基礎方程式を導くことができます。

つまりこの世は、ゲージ対称性を満たすように物理法則が出来ている・・・ってことです。特に、場の量子論で、すべての素粒子と、３つの力が統一的に記述されています。その集大成を標準模型といいます。その過程を少しでも勉強すれば、光子に質量がないことがわかります。

＞質量の定義はミクロ・マクロ関係なく、そのものの動かしにくさを表すものということですか。

そうです。

＞質量の定義を提示していただいて、光子は、その定義からはずれるので、光子には質量がないというのが、私としては分かりやすいです。

質量の定義は前述のとおりです。その定義から、ある素粒子の質量の有無を説明する方法などありません。定義はただの定義です。質量の有無は、前述の通り、理論をたて、そこから構築された物理理論が、観測結果と完璧に一致しているから・・・それが理由です。

光子はゲージ理論で説明される素粒子。それはヒッグス場と相互作用しないかぎり、質量を持たない。理解できないなら、そういうものだと覚える以外ありません。新しい素粒子や場の理論の概念を、既知の知識で理解しようとしても無理なのです。勉強がいやなら諦めてください。

＞なにも不自然はありません。
＞私はエネルギーそれそのもので質量と思っているので(違うかもしれません)、私も不思議ではありません。

上記をなんども読んでください。違いますので。

＞それはそうと、静止質量Mの質点と静止質量mの質点の距離がRのときとR+ｈのときでは、位置エネルギーに違いがあります。別の点に観測者をおいたとき、この位置エネルギーの差は、系としての質量の差として表れますか。

質問が不明です。その系は具体的にどの範囲ですか。距離が変わったときに、だれがその系に対して、どういう仕事をしましたか？？物理的に正しい質問をしないと、回答はありません。

No.8 回答者： EZWAY 回答日時： 2023/06/07 02:06

＞光子というのは存在がエネルギーではないですか。

光子であればエネルギーです。しかし質量は０です。そういう定義なんです。

＞(エネルギーのある光子)というくくりのものに質量があるなら、光子には必ずエネルギーがあるので、光子には質量があるのではないのですか。
光子のエネルギーというのは運動エネルギーとは違い、質量を伴いません。その「振動数にプランク定数をかけたものがその光子のエネルギー」です。こういう基本的なことを知らないのですか？

No.9 回答者： tknakamuri 回答日時： 2023/06/07 10:15

ちなみに。

古典的な「質量」の定義は力/加速度なので
加速も減速もしない光の質量は、その進行方向に関しては
古典的には無限大です。
だから古典的な質量の概念からは逸脱した存在として
扱わないといけません。

No.10 回答者： puyo3155 回答日時： 2023/06/07 20:40

＞質量の定義のひとつは、「粒子について言うもの」ということですか。

当然です。定義以前です。
物質や粒子の性質の一つですから自明です。

＞そうだとしても、例えば、核子の結合エネルギーは粒子という実態はないけど質量として表れますよね。

核子の結合エネルギーが質量として観測されるのは、それが、原子や分子となって、一つの塊となって観測できるときの話です。それをマクロ（の物質）と言います。

結合エネルギーが質量なわけではありません。マクロとして、物質として、粒子としてみると、内在しているエネルギーが質量として観測される・・・っていうことです。それが、等価の意味です。

原子、分子、核子などは、光子箱の箱のことです。
結合エネルギーは、光子箱の中の光子がもつエネルギーです。

＞結合エネルギーが核分裂によって、熱エネルギーなどに変換したとき、変換後のエネルギーは質量と言えますか。言えないですか。

言えるわけない。取り出したエネルギーは、熱すなわち、飛び出した粒子のもつ運動エネルギーなどに変わるのです。原発は、それでお湯を沸かして、その上記でタービンを回し発電するのです。

＜原発のエネルギーの流れ＞
質量　＞　とりだした熱エネルギー　＞　水の熱エネルギー　＞　タービンの回転エネルギー　＞　発電機からでる電気エネルギー

エネルギーは保存されながら、さまざまに形態を買えます。質量は、各物質に閉じ込められて、物質の中に内在したときだけ観測されます。つまり、エネルギーの形態の一つです。

＞E=mc^2のmは、静止している物質の質量ですか。私は動いている物質の質量だと思います。「静止」というのは「動く」の中のひとつの状態で、基本は、動いているですよね。

あなたがどう思うかは、いっさい関係ないんですよ。動くとか静止とかの哲学論も言葉のあやなので、捨ててください。モノ、物質、粒子として観測されるときの性質の一つです。なので、大半は、物質、体重などマクロ物質が静止したときの状況を指します。それが静止質量の名前の由来です。

しかし素粒子は別です。ゲージ粒子は本来質量ゼロは自明。そして一部の素粒子がなぜ質量をもつのかは、ヒッグス場との相互作用・・・これは、日本が誇る物理学者の南部陽一郎先生の自発的対称性の破れ・・というアイデアがもとになって解明された、この世の根本的仕組みの一つです。不思議なら、ここから理解する以外方法はないのです。

さて、相対論的エネルギーは、Wikipedia に出ていますから調べてください。式を端折れば、

相対論的エネルギー＝静止したときの質量由来＋運動量（速度）由来

です。あなたのいうE＝ｍｃ＾２は、この第２項がゼロ、すなわち運動量由来のエネルギーがゼロのときの単なる近似式です。近似式ですよわかりますか？式の一部を取り出して、持論を展開しても不毛なのです。そして光子は、逆に第１項、すなわち質量由来のエネルギーがゼロということです。
この式をがんばって理解してください。他の回答でも光子の質量はゼロ。エネルギーは運動量由来と、言われていますね。

あなたは、質量のない物質に、運動量由来がゼロの近似式を当てはめて、既知のマクロの知識で、理解することに固執している。そこに答えはないのです。

＞素粒子と反粒子が対消滅した場合は、質量が消えて、光子のエネルギーに化けた・・・とも言える。
＞エネルギーは質量だと思っている立場では、化けたのではなく、質量は、前後ともそのまま変わらず存在すると思います。

素人の立場は回答に無関係です。だって、中身がわかっていないから質問しているあなたが、なぜわかっていないことに立場をとるのでしょう。それが新しい概念の理解のじゃまをするのではないですか？自分の理解に固執すれば、だれでも、新しい概念の理解は難しくなります。

素粒子は実際に消滅しているのです。質量も消えています。それは観測した事実です。実験でも確認されています。そして、消滅した質量に相当するエネルギーが、質量のない光子のエネルギー（運動量由来）に化ける。フェルミオンが消滅してボゾンの運動量エネルギーに化けたということです。

＞素粒子はエネルギーが局所的に高くなった状態のことだと言う人がいました。

そうですよ。場の量子論を勉強すればわかります。概念では永遠に理解できません。場とは、ゲージ対象性とは、ラグランジアン、ラグランジアン密度、作用、最小作用の法則、量子化、特殊相対性理論・・・・基本概念を理解すれば、疑問は解決します。

＞素粒子はエネルギーで、エネルギーは質量だと思っていたら、前後ともに質量は変わらず存在すると思ってしまいます。

違います。等価の意味は前述しました。

＞「エネルギーはそのまま質量で、質量はそのままエネルギー」ということですか。

違います。等価の意味は前述しました。

＞ちなみに、運動エネルギーは質量ですか。

違います。等価の意味は前述しました。

繰り返しますが、質量もまた、運動エネルギーや、位置エネルギーとおなじエネルギーの形態のひとつということです。

言い換えて逆質問は、科学的やりとりではNG。かえって、理解のさまたげになります。回答の文章を繰り返し読んで理解する。理解できないなら、暗記することに時間をかけてください。

＞分かりません。

自分の思考に固執したら永遠にそうなるのはしかたありません。

＞まずは定義が全てでしょう。対象が、その定義に合致するか、はずれているか、ではないですか。

定義に合致するかは、素粒子の質量の有無に無関係です。その考えが間違っているのだ・・・とまず認めることが、理解のスタート地点です。

＞あなたも、究極的には、そういうものだと覚えたのですか。それとも、究極的な部分でも、覚える以外のことをして理解したのですか。後者なら、どうしたのかを教えてください。

前者以外の方法などありません。まず、最初にそういうものだと覚えて、自分が間違っている、新しい概念なんだ・・・と認める。これが物理に関わらず学問の基本的態度です。だって、新しい概念を知るんですよ。今まで知らないことを知るんです。それを、既知の知識でいきなり解釈しようとするなんてできるわけありません。学問に王道なし！とはそういう意味です。

最初は不満かもしれません。それでも、暗記でもいいから、そういうものだと覚える。そして、あらゆる場面で、光子は質量がない、そのエネルギーは運動量由来だ・・・という前提で問題を解き事象の理解をする。そうやって基礎理論の勉強も進める。するとやがて、われわれが日常で思っている粒子と、量子論が描くミクロの世界では、抜本的に違うことがわかり、「あーこういう感じなんだなぁ」と、あとから理解がついてくる。ある日突然、霧が晴れたように、その意味がわかる。

これが学問の基本的なステップです。

＞何度読んでも分かりません。違いが分かりません。

理解へのステップを変えない限り難しいと思います。自分の理解の仕方に固執する人には、新しい概念は理解できないのです。あきらめるか、自分を変えるか・・・しかありません。

＞位置的なものでいうと、2つの質点を包むような十分に大きな範囲です。
＞位置的なものでない範囲なら、どういう範囲のことか(どういう説明を要するか)を教えてください。説明してみます。

意味がわかりません。質問をあなたがしているのに、私が範囲を答えることは、不可能です。ごめんなさい、これはさすがに、つきあいきれませんので、別質問でやってください。

No.11 回答者： Leo-ultra2 回答日時： 2023/06/08 13:08

質量のあるものは、光速まで加速できません。

速度が光速に近づくと、質量が増加し、
質量が無限大に発散します。（特殊相対論の運動学）

つまり、質量が無限大に発散すると、光速に加速するのに無限大のエネルギーが必要。だから、光速に加速できない。

一方、光子は光速で飛んでいます。

つまり質量がゼロということ。

質量がゼロでないと光速で飛べない。