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.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.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.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.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.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.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.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?