光の質量

Question

光が水中を進むとき、光に質量は存在するのでしょうか?
素朴な疑問です。高校物理くらいの知識しかないので、やさしく教えてください。

mmky · Accepted Answer

追加の参考程度に
「質量が生まれる条件みたいなものが知りたいのです。」

時空間の概念が必要ですね。例えば、プランク定数一個分のエネルギー素片が波長λ程の長さの空間と固有時ｔ程の時空間に存在することを考えます。エネルギーは時空間に分布していると考えます。（もっと小さなエネルギー素片の集合と考えてもかまいません。）
この時空間の具体的な想定形状は何種類か考えられます。概念的にまっすぐ伸びたようなものであれば質量はない波長ほどの長さの紐のような形状です。光子の形状ですね。
一方、N回転し,静止ている場合は回転半径rを持つ球体
とかドーナツ型の形状になりますね。2πr×N＝λ　という場合ですね。静止電子の形状になりますね。
電子の形状だと回転数は微細構造定数の逆数ですね。
わかりやすくいえば開時空間か閉時空間かということです。平面は広げれば平面だけどもくるっと巻けば筒になるでしょう。ひも状であればくるくる回せば球体になりますね。
というように条件次第で形状は変わるのです。こういう古典的な質量概念でないエネルギーの時空間分布のみを考えることもできるのです。

「私の感性では，光速=時間なのですが。」
時間経過は絶対的なものではありません。
それぞれの存在空間(もの)に固有なものですから、一般的に時間経過は相対的といえます。つまり時間と空間の関係は固有速度という概念でしかないのです。絶対速度はないということですね。

bttf2003 · Answer

＞光が水中を進むとき、光に質量は存在するのでしょうか?

の答えは、単純に「存在しません」
何故なら、光は物質ではありませんので質量がなくても、なんら不自然ではありません。

具体的な回答内容は、他の回答者さんが色々と回答していらしゃるので、どれでも好きな回答を選んで下さい。

mmky · Answer

「固有速度とはいかなる考えなのですか?」

映画のフィルムは映写機の動きを止めればフィルムの映像は単なる点の集合（静止空間）ですね。映写機を回せばフィルムの中の点集合はあたかも生きているように動きますね。映写機の動きも固有速度ですね。
いろいろな空間はそれぞれの速度、固有速度で存在し時間を刻んでいますね。更に、空間という概念にも次元がありますね。つまり内在する上位の空間が存在すると考えられますね。上位の空間が所有する固有速度
は下位の空間が所有する固有速度より早くなければ下位の空間は上位の空間に内在できませんね。つまり下位の空間が飛び出てしまうからですね。
上位空間がどこまであるかはわかりませんが光の速度
もどこかの空間の固有速度でしかないという考えかた
ですね。
追伸の参考程度に

circuit_breaker · Answer

補足のやり取りから察しますに「水の中で光速が遅くなる理由を、光に質量を与える事で説明出来ないか」と提案されているのでしょうか。「真空中では質量零で真の光速、水の中では質量が生じる結果、真の光速に達し得ない」と。　少し考えて見ましたが、無理に質量を与える事は出来ても、理論的発展性のある妥当な質量を考えるのは難しいように思います。水に入った途端、光子が急に質量をもつ理由づけ、または光と伴走する水の中の何らかの粒子を想定する必要が生じてしまい、困難を感じます。

水中の光が遅い理由は、光が電磁波であるとの見地に立ち、水を構成する原子との電気的相互作用の結果として説明した方が容易でしょう。電場と磁場のエネルギが交互に変換されながら伝わるのが電磁波ですが、これが通過する際、電場によって水の原子核(+)・電子(-)の相対的位置関係が、電場を打ち消す向きに僅かに変化を繰り返します。（位置関係が変わるのに必要な時間が光速を遅らす原因では「ありません」。念の為。）これを分極と言います。またこのような性質を持つものを誘電体と言います。ガラスやプラスチックなど固体もそんな性質を持ち、そこを通過する光が遅くなります。「電場を打ち消す」なる表現は、まるで光が減衰してしまう様に聞こえるかもしれませんが、そうではありません。「電場の打ち消し」は分極のポテンシャルによる電場エネルギ貯蔵容量の獲得・拡大を意味します。それを満たしながら進行する電磁波は、エネルギ充放電に手間取り、単位時間に進める距離が短くなってしまいます。すなわち分極を起こす媒体があると速度は鈍る訳です。誘電体の分極のし易さを誘電率と言い、電磁波伝播速度や、屈折率と深いつながりが在ります。

チョッと話のペースが速すぎ、定量性も欠いておりますので、「電場磁場を導入する意味があるのか、それを使用しない別の説明があるのでは。」との指摘を受けそうですが、水中の光速が遅い理由の説明「手順、骨子」は、普通このようなものかと思います。つまり相対論、量子論より「電磁気学」がこの問題には有効だと思うのですが、如何でしょう。

mmky · Answer

YumikoitさんとYumikoitさんの適切な答えがありますので追加の参考程度に
ミクロの世界の質量という概念を考え直す必要がありますね。ミクロの世界ではあたかもエネルギーそれ自身に意思があるがごとく振舞います。たとえば羽を広げた波のような形態から羽を折りたたんだ質量（物質化）のような形態に条件のもとで自由に変化します。光子の場合を考えると真空中ではエネルギーを運ぶ運送トラックの役割をしていますので特殊な時空間カプセルの形態を有していることは想定できますね。でも一般的な質量（剛体的）という概念ではありません。光子が媒質中に入ればその媒質中で最適な運送形態になります。それが波の形態と考えてよいと思います。
波の形態では伝播速度は媒質によって変化しますので遅くなってもいいですね。従ってこのような性質を持ったエネルギー量子に質量の概念は適切ではないのです。もうすこし４次元を含むそれ以上の時空間の概念が説き明かされればすっきりと答えられるかもしれませんね。
このことを仏教では色即是空、空即是色というのです。色は物質、空はエネルギーですね。参考に

kokusuda · Answer

光に質量があると光速で存在できません。
光（エネルギー量子）が持っているのは運動量です。
ちなみにエネルギー量子とは
エネルギーも連続ではなく最小単位（量子）が存在するということです。
物質とエネルギーの中間的な性質と言う意味ではなく
計測の条件によって両方の性質を持っているように見える、
という意味です。

確かに光の重量を計測できるように見えますが、
実際は重さではなく運動量を計測しています。
（古典力学では速度と重量の積です）

この計測実験の場合、光の速度はゼロになります。
また光の速度を計測すると質量はゼロになります。
この両方の実験結果を満足させる理論として
“場の量子論”ができてきています。
確かに光量子論仮説は限定された範囲内で見れば
適用できるものと見なせます。
しかし、光の質量そのものは計測されたことが無く、
光速度不変の原理から計算上も質量を持てないことが分かっています。

媒体によって速度が変化する理由ですが、
媒体自体は質量による慣性（動き難さ）を持っています。
光が媒体を通過する時にその波動性によって
光の持つエネルギーは減衰します。
そのため光の波長（色）や速度が変化していきます。

参考ＵＲＬは九州大学の高田教授による解説サイトです。
少し数式などが出てきますが比較的わかりやすいので
参考にしてください。

参考URL：http://www2.kutl.kyushu-u.ac.jp/seminar/I-seminar.html

noname#25358 · Answer

本当に厳密な話になってしまいますが、実際のところ「変化します」。

　周囲の物質に運動エネルギーを奪われる、などをきっかけとして、光の質量が変化してしまうこともあるんじゃないかと思います。
　しかし、そういった現象は一般の物質でも普通に起こっていることで、本当に厳密な話です。
　一般に物質は、我々人間も含めて、光がぶつかってくることによってちょっとずつ削られてるんです（これを電離といいます）。
　なので、何かのきっかけで物質の質量が変化することなど、ごく一般的なことなんです。

　ですが、そんな厳密な話をしていたらキリがないケースも多々ありますしね。
　水面で屈折して速度が落ちる、といった程度であれば、「変化してないといってよい」というレベルではないでしょうか。

　ちなみに、一般にエネルギーというものは、その媒体によって伝わり方が変わるのが普通です。
　硬い物質と柔らかい物質の中を通るときでは、「音」の伝わり方は変わりますよね。
　この点に関してのみいえば、光でも同じです。
　光が「この物質は通り抜けやすいな」と思ったら速度は速くなりますし、逆に遅くもなります。

noname#25358 · Answer

一般には「光は電磁波というエネルギーである」という考え方が多いようですが、光は純粋なエネルギーではありません。
　それが証拠に、光は真空中でも進むことができます。
　光は、厳密には「エネルギー量子」と呼ばれる、物質とエネルギーの中間的な性質を持ったものです。

　よって、厳密にいえば光には重量があります。
　しかしその重量は、よほど真空に近い状態でないと認識できないほど軽いので、通常は「仮にない物として扱う」のです。

　エネルギー量子は物質とエネルギーの中間的な性質を持っていますので、質量のある物質でありながら、１つの空間を２つ以上の光粒子が占有できます。
　エネルギーでありながら、衝突の衝撃によってを運動エネルギーを発生させることもできます。

　このへんの感覚は、勉強もしてない我々が理解できるものでは到底なく、物凄い難しい量子力学の話になってきます。

Yumikoit · Answer

そうですねぇ。難しいですよね。
でもこう考えてはいかがでしょうか？

水の表面が波打ちます。
水の表面に油の層があると、油の層に伝わる波は水の層の波よりも遅く伝わるでしょう。

光もまた一種の波です。
空間を伝わる時、その空間が真空か通常の空気中か、または水…そういう光を伝わる媒体によって伝わり方が異なります。

光に質量が存在するのではありません。
空間の曲がり具合によって光の伝わり方が遅くなったり、曲がったりするのです。

空間中に存在する物体の質量によっても空間は曲がっています。光はその曲がった空間の一番短い距離の部分に沿って進むのです。

空間が曲がってるかどうかなんて、われわれにはぴんと来ませんけど。非常に観念的に説明してしまいましたが直感的に捕らえて下さい。ＳＦちっくです。

mmky · Answer

参考程度に
光は常識では理解できないような性質があります。
光はエネルギーを波長（または振動数という形式で伝播するのです。波長というのは波ですからそれ自身に占有空間（つまり剛体や質量の概念）はありません。
例えば白色光には７色の光が含まれています。
もし光に質量があれば同時に違う色が同じ場所には存在できません。波長（または振動数）というエネルギー形態が存在するので可能なのです。波長（または振動数）の重ね合わせで成り立っているのです。
そういうことで、光はどのような媒体中（水中など）
でも質量という概念を持たないのです。
波長（または振動数）の吸収を通じてエネルギーの授受を行うのです。

光の質量

追加の参考程度に

＞光が水中を進むとき、光に質量は存在するのでしょうか?

「固有速度とはいかなる考えなのですか?」

補足のやり取りから察しますに「水の中で光速が遅くなる理由を、光に質量を与える事で説明出来ないか」と提案されているのでしょうか。

YumikoitさんとYumikoitさんの適切な答えがありますので追加の参考程度に

光に質量があると光速で存在できません。

本当に厳密な話になってしまいますが、実際のところ「変化します」。

一般には「光は電磁波というエネルギーである」という考え方が多いようですが、光は純粋なエネルギーではありません。

この回答への補足

そうですねぇ。

この回答への補足

参考程度に

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　本当に厳密な話になってしまいますが、実際のところ「変化します」。

　一般には「光は電磁波というエネルギーである」という考え方が多いようですが、光は純粋なエネルギーではありません。