重力場から脱出する光子はエネルギーを失いますか

第三に，強い重力場をもつ天体からの光は，重力ポテンシャルを脱出するさいにエネルギーを失い赤方偏移を生じる。ここで「光」と表現をしているが，実際には電磁波に共通の現象で，相対性理論で理解できる。
http://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/story/newsletter/k …

とありますが、これは相対論でそうなるのでしょうか？
それとも、リンクの方が勝手に言ってるのでしょうか？

No.1 ベストアンサー 回答者： i_am_a_god 回答日時： 2014/08/31 01:05

こんなところで質問せずに本人に直接聞けばいろいろ答えてれるでしょう。

↓質問文のリンクの著者の連絡先
http://www.s.u-tokyo.ac.jp/people/index.php/%E5% …

わざわざメールアドレスも電話番号も公開されているのですし、本当の専門家にしないのはいかがなものでしょうか？

この回答への補足

じゃあ、聞いてみよか
でも、今までプロに聞いても逃げられるばかりやでｗ
まあ、この人がなんていうかは別だけど

補足日時：2014/08/31 01:24

No.8 回答者： ddtddtddt 回答日時： 2014/09/01 18:31

　#7です。

＞・・・アインシュタインがそういってる以上、それに量子をもってきて相対論からそういえるとはいえないのではないかと・・・

　そこまでの話となると、自分の手には負えません。ただリンクのそのページは（他のページには量子が出てくるかも知れないが）、量子論はおいといて、一般相対性理論に電磁場方程式を載せた方向だと思います。

　けっきょく量子重力はできていないので、こんな事を言うと本職に怒られそうですけど、現実は相対論と量子論の継ぎはぎが実情じゃないでしょうか。

　それで古典物理から続く一般論を信じて、光子のエネルギーがうまく減るような継ぎはぎをする・・・。

この回答への補足

事情はわかりますが、でもそれやっちゃてるとしたら
折角、ローレンツ変換で全エネルギーが変化するわけではないということで
双子のパラドックスをあげて、一般相対論で加速系にした意味がなくなっちゃう。

まあ、直接メールしてみました。
もしかしたら、宇宙膨張を考慮してとか、素人が判らない事情があるのかも知れません。

補足日時：2014/09/01 21:26

No.7 回答者： ddtddtddt 回答日時： 2014/08/31 16:03

　#6です。

　光の密度は発信器の機構の問題になりますから、極論すれば1個の光子について語れば良い、が自分の意見です。二重スリット実験も、同じ発想だったはずです。光子を集団にするとよくわからんから、近似的にでも1個の光子状態を積極的につくろうと。

　もう一つは、外部の何かに対して仕事をすれば、内部エネルギー（例：ロケットの運動エネルギー）はその分減る。これは量子論以後も相対論以後も変わってないはずで、言いたかったのはそこです。

　電磁場が通常物体と仕事をやり取りできる以上、それは光についても同じであろうと。もちろん実験以前（赤方偏移の観測以前）は予想ですけどね。

この回答への補足

そう、時間とエネルギーは共役関係にあるから
エネルギーを交換してみないとわからないというスタンスです。

アインシュタインは、相対論を重力場の現象を局所慣性系に置き換えてるだけで重力場がなくなるわけではないといってます。
アインシュタインがそういってる以上、それに量子をもってきて相対論からそういえるとはいえないのではないかと・・・
だから科学者の相対論の解釈がそうなってるのか、リンクの方の考え方なのか
持論では、光子のエネルギーはかわらないので、そこを知りたいだけです。
http://note.chiebukuro.yahoo.co.jp/detail/n301892

補足日時：2014/08/31 16:33

No.6 回答者： ddtddtddt 回答日時： 2014/08/31 15:25

　#5です。

>え、地表静止しているものを、地上に上げるためにエネルギーを与えないと無理です。・・・

　了解です。しかしいずれにしろ振動数の話はしてないのですが、強いて言えば、打ち上げエネルギー（脱出速度）を与えた時にロケットの量子としての振動数は上がり（エネルギーの保存場所はどうでも良い）、運動エネルギーが位置エネルギーに化けるに従ってその振動数は下がる、が自分の意見です。ちなみに古典力学では位置エネルギーの保存場所は解決できないが、運動から位置へのエネルギー移動は正しいとみなされている。

　発信器から発射された電波も同様。

この回答への補足

光のエネルギーは古典的な捕らえ方もありますが、
ここでは、光子の振動数に関連した話ですから、以下のようになるかと

光波の速度は、w＝fλ
光子のエネルギーは、E=hf、で一秒あたりの仕事率

仕事率（しごとりつ）とは工率（こうりつ）やパワー（power）とも呼び、単位時間内にどれだけのエネルギーが使われている（仕事が行われている）かを表す物理量である。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E4%BB%95%E4%BA%8B% …

だから、f＝w/λ、E=hw/λ
hはプランク定数、wが波動速度でこれが一定なら、波長λが短いほどエネルギーが高くなる。

但し、これは一個の光子の場合で、光の強さはその密度にもよる
http://www.photosynthesis.jp/light.html

補足日時：2014/08/31 15:37

No.5 回答者： ddtddtddt 回答日時： 2014/08/31 14:55

　#4です。

次の物理的状況がわかりません。

＞普通の物体が外部より運動エネルギーを与えて、それを位置エネルギーに変わるとき振動数をあげているだけですが？

　なぜ普通の物体に外部から運動エネルギーを与える必要があるんですか？。というか、何の目的で外部から運動エネルギーを与えるんですか？。「運動エネルギーが位置エネルギーに変わるとき、振動数をあげているだけですが？」と言われても、こっちは量子論以前の話をしてるので、振動数もへったくれもないのですが（強いて言えば下がる、と思いますけどね）。

＞光子のエネルギーがなにかわかるわからないという以前に、ここから違います。ハーバードにタワー実験も、それと同じに振動数を標準として時間を決めるが間違ってますね。

　同様に先の部分は相対論以前の話でもあり、時間の話など、これっぽっちもしてないのですが。なぜエネルギーと仕事の話に、時間が出てくるのですか？。


＞逆に無限遠から自由落下した物体は地表で摩擦により運動エネルギーを失います。
＞地球を形成していったとき、そのちりが集まって熱にかえていったのでは？

　という事は、重力井戸を抜けてきた物体であれ光であれ、エネルギーを失うという風に読めますが。

この回答への補足

え、地表静止しているものを、地上に上げるためにエネルギーを与えないと無理です。
ロケット打ち上げは自分の燃料をつかっているからといっても、ここでは発信器の話ですから
発信器はエネルギーを貰って、位置エネルギーを得るわけです。
その位置エネルギーがなにで保存されるかはまあ、一考の余地はあるけれど
力学の基本かと？

補足日時：2014/08/31 15:10

No.4 回答者： ddtddtddt 回答日時： 2014/08/31 12:56

　まず量子論以前から、電磁波が物体に仕事をする事は知られていました（光電効果などとは別に）。

そうするとふつうの物体が重力ポテンシャルを脱出する時に運動エネルギーを失う以上、光も重力ポテンシャルを脱出する時に運動エネルギーを失う事はあり得る、と予想はされていたはずです。ふつうの物体は重力場を介して、けっきょく重力源に仕事をしてエネルギーを失う。もし光と重力場が相互作用するなら、同じだと。

　ここで光の運動エネルギーを、ふつうに考える光のエネルギーと言って良いのか？（明らかにそう考えたくなるが）、それがE＝hνのEと同じか？という事とは別にして（当時、量子論はなかった）。

　次に相対論が来る。特殊相対性理論は電磁場方程式を最終的に整備するものだという結論に、最後にはなる。そうすると特殊の一般化である一般相対性理論には電磁場方程式は載るはずだし、それは綺麗に可能だった。ローレンツ不変形式を、一般共変形式に書き直すのみ。

　計算してみると赤方偏移が出てきて、原因は予想通り重力井戸で光がエネルギーを失ったためとなる。現在のところ、観測とも一番良く一致する。相対論以前の一般論による予想とも矛盾しない。

　なのでリンクが勝手に言ってるのではなく、相対性理論に含意されていた結論だったとみなせると思います。


＞光自体がエネルギーなのにエネルギーがエネルギーを失うと言うことは元のエネルギー量が減るだけだと思うけど。
光子が運動エネルギーを失うなんてこと起こるの？？　

　「光自体がエネルギー」は言い過ぎでしょう。エネルギーの正体だってわかってないのに。光は通常の物体と同じエネルギーを持てる何かです。ここで何かとは、（もはや物質と言い難い）物理的実在という事しかわかっていないという意味です。

　光子の発生方法は知っているが、構成方法なんか一つもわかっていない。光子は素粒子だから構成できない、が現在の立場でしょう。

　エネルギーがエネルギーを失って何がまずいのか？、と思う。物体の運動エネルギーだって、エネルギーが仕事としてエネルギーを失う。光は通常の物体と同じエネルギーを持てるものだ（経験事実）。


　赤方偏移した光は、そうでない時より確実にエネルギーは低下する。ただしそれが、間延びによる見かけ上のものなのか（低下分は利用できないだけ）、本当に失ったのかは、別の話。

この回答への補足

＞そうするとふつうの物体が重力ポテンシャルを脱出する時に運動エネルギーを失う以上、

普通の物体が外部より運動エネルギーを与えて、それを位置エネルギーに変わるとき振動数をあげているだけですが？
光子のエネルギーがなにかわかるわからないという以前に、ここから違います。
ハーバードにタワー実験も、それと同じに振動数を標準として時間を決めるが間違ってますね。

逆に無限遠から自由落下した物体は地表で摩擦により運動エネルギーを失います。
地球を形成していったとき、そのちりが集まって熱にかえていったのでは？

補足日時：2014/08/31 14:22

No.3 回答者： txr002 回答日時： 2014/08/31 09:10

これは私の考えでしかありませんが、、

＞重力ポテンシャルを脱出するさいにエネルギーを失い赤方偏移を生じる。
これ、変でしょ。光自体がエネルギーなのにエネルギーがエネルギーを失うと言うことは元のエネルギー量が減るだけだと思うけど。光子が運動エネルギーを失うなんてこと起こるの？？　赤方偏移って光が間延びした時に起こるのではないでしょうか？

この回答への補足

＞光子が運動エネルギーを失うなんてこと起こるの？？

そう、何と何の相互作用がおきるのかってことです。
またそれは誰の考えなのかってことです。　

ひゃまの持論では、GPS衛星の原子時計より地表の原子時計の時計が遅く進むと同じで、強い重力場にいる発信器の周波数が弱い重力場にいる観測者より低くなっているだけで、光子の重力場とのエネルギー交換しないので、誰の考えなのか知りたいだけです。

補足日時：2014/08/31 13:57

No.2 回答者： eatern27 回答日時： 2014/08/31 02:19

重力赤方偏移は地上の実験でも確認されている現象です。

http://en.wikipedia.org/wiki/Pound%E2%80%93Rebka …

この回答への補足

そんなことわかってますよ
E=hfが光量子のエネルギーなら、量子重力理論もないのに
なぜ相対論がそういえるか、それとも自分の考え方なのかきいてるんですね

補足日時：2014/08/31 02:44

この回答へのお礼

あ、ハーバードのタワー実験ですね
片方を外部エネルギーを加えて位置エネルギーに変えて時間の進み方を変えてから
共振しなくなるのがどうかしましたか？

お礼日時：2014/08/31 03:14