光の性質について

Question

光には、波としての性質と、粒子としての性質があると聞きました。
一見矛盾するこの２つの性質を同時に持ち合わせるというのがイメージできません。
なるべく簡単に説明していただけないでしょうか。

YHU00444 · Accepted Answer

ミス訂正
×SU(2)（3×3行列で
○SU(2)（2×2行列で

まぁそもそもの話として、粒子1個と、アボガドロ数（10の23乗）の個数の分子が集まったものとでは、ふるまいが全く違うのも当たり前の話で、それに応じて概念を変えるのも自然なことだと思うんですよね。

実際、我々が光を見るのだって、物体からはね返ってきた（もしくは熱振動などで発生した）光子のまとまりが眼球内の錐体細胞と作用して、それを視神経と脳のネットワークで解析して云々、とかなりややこしいことをやっているわけで、そこで光が粒子だの波動だのと一々実感しているわけじゃない。
それを無理矢理我々の日常生活の中で培った概念のアナロジーによって類推したところで、当たることもあれば外れることもあるというだけの話でしょう。

ちなみに量子論関係の本を読めば「そういう話」が腐るほど出てきますから、それを拾い読みするだけでも結構楽しめるかと。（もちろん、最終的には数式という骨組みと演習によるトレーニングをやらないと「概念が身に付いた」とはとても言えないのですが）

※そもそも、ニュートン力学の理解すら怪しいのが現実のような……

YHU00444 · Answer

>結局光とは何かという問いに対しては物理学は未だ答えが出ていないということでしょうか。計算によって、光がどのような挙動をするのか、或いはこの挙動は計算によって説明は出来るがそれが何かは分からない。

実際にはその逆で、「これ以上なく、分かりすぎるほど分かってしまっている」と言った方が正しいんじゃないですかね。
実は光子というのは「U(1)ゲージ対称性」という、ゲージ対称性の中でも最も簡単な（高い）対称性を満たす粒子（量子）であることが分かっているのですが（局所的なゲージ不変性から電磁場が出てくるので）、これが最も簡単で普遍的なものであることは、他のゲージ対称性（SU(3)（3×3行列でクォークを表す）、SU(2)（3×3行列で「弱い相互作用」を表す））と比べてみても明らかでしょう。

※逆にSU(2)やSU(3)の方が対称性の低いきたない状態を表しているとも考えることができて、たとえば、きれいなU(1)の状態から「対称性が破れて」SU(2)になったと考えるのが「電弱統一理論」の骨子です（このとき電子と弱い相互作用をになう粒子は同様にふるまう）。

というか、そもそも物理ってのは「現象を記述する」ことが全ての学問ですから、「現象を過不足なく説明できる最も簡単で美しい理論」があれば（たとえば光子の理論のような）、それを実体といっても全く問題ないと思いますよ。
まぁ、困ったことにSU(3)から上は美しさに欠けていますし、それを大統一理論で統合する試みもいまだ発展途上ですから（超弦理論との比較など夢のまた夢）、それらの粒子に関しては不完全な標準模型（「理論」ですらない）で満足せざるを得ないのが現状ではあります。（メシの種があるとも言えるが……）

※せめてヒッグスか超対称粒子の一つも見つかってくれればと思う。

moby_dick · Answer

光が波であることは明らかです。
（光の媒体エーテルは、あります。
エーテルが実験で否定されたというのは全くの誤解です。）


しかし、
光を粒子と考えること、光に粒子の描像を考えるのは問題です。

光電効果は、光がボールになっているとは言っていないです。
エネルギーのやり取りが、塊的（量子的）なだけです。

ですから、光に量子的性質はあるが、決して普通の粒子のイメージはないということです。


（なお、光を粒子として運動を考えて、うまくいったとしても、必ずしも光が粒子とは言えないです。）

YHU00444 · Answer

>そこで、追加質問させていただきますが、量子場を簡単に説明していただけないでしょうか。
>ついでに”場を量子化した”って言うのも説明していただけないでしょうか。

これは以前にも回答しましたように、本当に理解しようと思ったら量子力学と電磁気学の知識が必須になりますのでなかなか難しいのです。（解析力学は高橋康の本で勉強するとしても）
が、それでもあえて説明しますと、まず光の場合はいわゆる電磁場を量子化することで量子電磁力学(QED)を構成することができまして、これが光子（フォトン）のふるまいを示すものであることが分かっています。
※なお、この理論は物理の中でも最も成功したものの一つです。

ちなみに量子化というのは、運動量pと位置xを演算子と見なして交換関係（xp-px=ih/2π）をおくことを言うのですが、このとき観測される物理量は演算子の固有値で表され、一般的には離散的な値をとります。なので「量子化（離散化）」という名前が付いているわけです。
で、場の運動量演算子に対して固有値問題を解いてやると（「対角化」といいます）粒子の生成と消滅を表すらしき演算子を作ることができて、これが運動量pの粒子を表していると考えるとつじつまがよく合う、と。
※本当はこの辺の説明なり物理的背景をキチッとやらないといけないんだけど、それには教科書一章分の分量が必要なので省略します。（詳しくは量子力学の本をお読みください）

ということで、説明をするのも聞くのも大変な話ですが、とりあえず、物理の学部生でもココまではなかなか勉強しないものなので、あまり焦らず気長にやってくださいね。（実際彼らでも理解に手こずる話ですので）

a-saitoh · Answer

専門的な正しい解説は他の方に譲るとして．

光は光であって，粒子でも波動でもありません．光を伝える媒質(エーテル)がないことは実験で確認されてますので，音とか地震のような「波」ではないのです．

「粒子なんだけど波動としての性質を示すこともある」と考えてしまうと，どうにもならないとおもいますよ．
あるときは粒子としての性質を示し，あるときは波動としての性質を示す「そーゆーモノ」です．

と，いうのが素人が睡眠不足にならないために有用な考え方かと．

tetsumyi · Answer

光（電磁波）の場が何であるか、という理論は完成していないと思います。
目に見える空間の次元と別の次元が関係しているようです。

波としての性質と粒子としての性質を同時に持ち合わせる、と言う説明は正しくないようです。
波として観測をすると波の性質が現れ、粒子として観測すると粒子としての性質が現れると言ったほうが正しいと考えています。

YHU00444 · Answer

おっと、
>X線・ガンマ線領域で波動描像を持ち出すのも適当とは言えない
は間違いなので忘れちゃってください。
※X線を結晶に当ててブラッグ反射を調べるのは「波動」ですもんね。

とりあえず、量子力学的な波動と粒子の二重性というのは、場を量子化したときに出てくる性質ぐらいに思っていただければ、そんなに外していないんじゃないかと思う次第で。
※実際、結晶格子の振動を量子化して「音量子（フォノン）」として扱ったりします（超伝導の説明には必要不可欠な概念）

YHU00444 · Answer

これは以前↓のANo.4でも回答しましたので、まずはそれをお読み頂くことをお勧めします。（複雑でも、最初から正確な話をする方がかえって分かりやすいと思うので）
http://okwave.jp/qa2497647.html

上記をえらく簡略化しますと
・光に限らず、世の中のすべての素粒子は「量子場」であり、粒子も波動も近似的概念に過ぎない。（電子も波動的に振る舞うので「電子顕微鏡」が作れるわけです）
・しかし、場の方程式を運動量表示してやると粒子のふるまいをすることが解るし（粒子の生成・消滅etc.）、一方で場にエーレンフェストの定理（要は場を平均化する計算）を適用してやると波動描像が現れるので、どちらも量子場の正しい近似にはなっている。
・なので、どちらで考えても良いのではあるが、テレビ電波程度で粒子描像を持ち出すのも、X線・ガンマ線領域で波動描像を持ち出すのも適当とは言えないので、その辺は適当に便利な物を選ぶべき。

ちなみにANo.1の追加質問について、粒子が波動的に振る舞うというのは「個々の粒子についてはランダムに振る舞う（ように見える）が、大量の粒子のふるまいを調べると波動的な干渉縞が現れる」という感じで、確率的な現象として波動描像が出現すると考えた方が良いです。（だからエーレンフェストの定理を使う）
※量子力学の本には具体的な類例がたくさん載っています。

storm50 · Answer

干渉実験（波）と光電効果（粒子）があります。すべての物質は、粒子と波の両方の性質を持っています。このようなことから、量子力学が誕生しました。

光の性質について

ミス訂正

>結局光とは何かという問いに対しては物理学は未だ答えが出ていないということでしょうか。

光が波であることは明らかです。

>そこで、追加質問させていただきますが、量子場を簡単に説明していただけないでしょうか。

専門的な正しい解説は他の方に譲るとして．

光（電磁波）の場が何であるか、という理論は完成していないと思います。

おっと、

これは以前↓のANo.4でも回答しましたので、まずはそれをお読み頂くことをお勧めします。

干渉実験（波）と光電効果（粒子）があります。

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