光子の質量？

Question

光子って質量はあるんでしょうか？

光子の質量は０で、０だからこそ、光速で移動するんだとおもっていたのですが、
「重力は質量間に作用する力である」とおもっていたので、
なぜ、光子が重力の影響をうけるのかよくわからなくなってしまったのです。

なんて事を考えていたら更に疑問が。（ーー；
「光子は電磁場の影響を受けるか？」
「電磁波なんだから受けるべ？」というのと、
「電荷をもたなければ影響うけないべ？」という気も。
うーん。どうなんざんしょ？（ーー；

宜しくお願いします。

CaF2 · Accepted Answer

量子光学屋で、素粒子論は耳学問なんですが、とりあえず知ってるつもりのことだけ、書かせていただきます。

　古い話ですが、ヤン－ミルズ理論～電弱統一理論では、光子のうち弱い相互作用を司る量子が質量をもち、電磁気力を司る光子が狭い意味でのフォトンになったわけですから、光子が質量をもたないのではなく、電弱統一理論の力の素粒子のうち、質量を持たない方が、光子と呼ばれるものである、というのが律儀な言いかたなのかもしれません。

　ただ、光子のエネルギーは、容易に質量となり、また、その逆も容易に起きます。

　たとえば、陽子と電子が無限のかなたから近づいていき、水素原子を形成する場合、電子の軌道のエネルギー準位が変化すれば、光子の形でエネルギーが外に放出されます。その光子のエネルギーは、陽子と電子のなす系が、質量を失うこと（古典的には、ポテンシャルエネルギーを失うこと）で補われます。
　水素がイオン化して、陽子と電子とに別れる時は、この逆で、外からやってきた光子から、系は質量を得ることになります。これを相対論のような古典物理で説明する場合には、質量とエネルギーの等価性と言うわけですが、場の理論で、この質量獲得のメカニズムを説明するのは、かなり難しいことのようです。

　経路積分的に、光子が飛んでいく姿を思い浮かべた時、光子は、実は、あるときは陽電子－電子ペアであったり、場合によってはトップクオークと反トップクオークの対からなる中間子に「変身」している場合もありうるわけで、いつでも質量を持つ可能性をもっているわけです。

　これら「場の理論」でいう質量の獲得と、重力理論で言う質量とが、同等のものであるのは一般相対論の主張ではありますが、素粒子論レベル（重力子レベル）で、場の相互作用を簡便に言うことは、困難なことのようです。
　このあたりが、

　「なぜ、太陽の側を通った光は、曲がるの」
　「それは、重力が空間を曲げているからさ！」

という、禅問答のような、とおりいっぺんの説明では納得できない気持ちになる原因だと思います。

　また、「電荷」は、電磁気の力、すなわち光子を産むことのできる「能力」を示すものです。それ以上の説明は、現代の物理学者にはできていないように思えます。電子のように「内部構造を持たない粒子」が、電荷という性質を持つことは、実に不可思議な事だと思います。また光子は「電荷」を持たないため、更に子供の「光子」を直接産むことはできません。何か他の素粒子を経由することにより相互作用することになると思います。

mmky · Answer

蛇足ですが
質問者のacacia7さんの探求とその指摘には謙虚に頭がさがります。
皆さんの回答がありますが、あえてコメントまで。
多分、質量とは何ですか？という疑問に帰着するのではないかと思います。
お互いに質量があるとか無いからという古典的な考えからなかなか離れる
ことはできませんね。
No.5のCaF2さんの指摘にありますが、「光子は、実は、あるときは陽電子－電子ペアであったり、場合によってはトップクオークと反トップクオークの対からなる中間子に「変身」している場合もありうるわけで、いつでも質量を持つ可能性をもっているわけです。」 
電子が質量を持っていると考えると、陽電子－電子ペアが光子に変換される
プロセスは、質量が突如として電磁波になるということになります。
電子は、質量があるので引力の影響を受ける、光子は電磁波なので引力の
影響は受けない。という説明がされます。
ではどうして光は曲がるのというと他の皆さんの回答のように空間が曲がっているからです。
となります。
これをここだけではすっきりしたいですね。
すっきりする方法は、ひとつだけあります。それは、質量の概念を変える
ことなのです。
エネルギーの分布状態が閉空間（時空間）であれば、密度が論議できますので質量と考えることができます。エネルギーの分布状態が開空間（時空間）
であれば、質量は考えることが出来ません。
そうすると、電子は静止状態ではエネルギー状態が閉空間分布と考えることができます。光は開空間分布と考えられますね。
（光陰矢のごとしですからね。）
閉空間では質点として取り扱えますから、引力の影響を受けやすいですね。
光は波長ほどの時空の開空間分布ですから引力の影響は受けにくいと考えることは出来ます。でも逆に時空に沿って走るのはうまい、と考えることが
出来ます。
こんな風に考えると、電子にも分布構造が必要ですね。共役な電子対の分布
構造が光子の分布構造になればいいんですよね。
アルベルト先生はそのミッシングリンクを記号で表現したのですが、もう一度、電子や光子の構造を考え直するとすっきりするかもしれませんね。

参考程度まで

Mell-Lily · Answer

>光子は、重力の影響を受ける？
一般相対性理論によれば、重力とは空間の歪みです。あらゆるものは、歪んだ空間をまっすぐ進んでいるのです。光についても、このことは当て嵌まります。

>光は、電磁場の影響を受ける？
電磁場の影響を受けるのは、電荷を持っているものです。光には電荷がありませんから、光は電磁場の影響を受けません。

noname#108554 · Answer

>「重力は質量間に作用する力である」とおもっていたので、

質量がある→重力が存在する
は正しいですが、
重力が存在する→質量がある
はどうでしょう。
エネルギーも重力（時空を歪ませるという意味で）を持ちますが、
例えば、
「質量がある星と、内部は光子がつまっている質量はほとんど0（球殻に使う鏡ぐらい？）の星を
考えるとして、
その2つの質量とエネルギーはE=mc^2の意味で等しいとしておきます。
そのとき、どっちが引力（斥力？）が大きいか？」
というような状況ですかね？
私はかつてこの手の計算をして挫折しました。
非常に面倒です。結果も知りません。申し訳ないです。

さて、光子-光子相互作用は存在します。
非常に大強度のγ線ビームを作って、衝突させるのですが、
衝突断面積は非常に小さいため、最近まで観測は無理だったようです。
ところが、よく考えるとラグランジアンの形からは、
直接の光子-光子相互作用はありえません。
さて、どうしようか・・・？考えてみてください。（ちょっと難しいかも）

参考URL：http://www-jlc.kek.jp/general/DOC/oho95-html/oho.e.html

hot-tea · Answer

>なぜ、光子が重力の影響をうけるのかよくわからなくなってしまったのです
これはどのような場合のことかわからないので、気のついたことを書きます。

巨大な星の傍を通過する光は、少し曲がります。これは星の重力によって空間が曲げられるので、光は最短距離を通ろうとするので曲がるのであって、重力の影響かどうか言いにくいと思います。

光子と言う場合、陽子と陽子が反発するときなど電磁力の仲介する物質として光子がでてきたと思うのです。

光子は質量がないとされています。光として相対性理論、光子として量子力学となんとなくイメージしているもので、光子と重力が同じ文章で出てくるのはわかりません。

First_Noel · Answer

光子は電磁場の量子ですから，電磁界があれば光子が生成されたり消滅されたりと
記述されますし，電磁波の量子化は光子です．
例えば，ある周波数以上の電磁波はプラズマを透過出来ません．
電磁波による電磁場の振動に，プラズマ中の粒子が追随できない為です．

ちょっと御意図と異なるかな．．．

光子の質量？

蛇足ですが

量子光学屋で、素粒子論は耳学問なんですが、とりあえず知ってるつもりのことだけ、書かせていただきます。

>光子は、重力の影響を受ける？

>「重力は質量間に作用する力である」とおもっていたので、

>なぜ、光子が重力の影響をうけるのかよくわからなくなってしまったのです

光子は電磁場の量子ですから，電磁界があれば光子が生成されたり消滅されたりと

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