光子
出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2023/11/24 01:26 UTC 版)
初期の反対論
アインシュタインの1905年の予測は、ロバート・ミリカンのノーベル・レクチャーでも詳しく語られたように、20世紀の最初の20年間で様々な実験によって実証された[37]。しかし、1922年にコンプトンの実験で[29]光子が波数に比例した角運動量を運ぶことが示されるまでは、ほとんどの物理学者は電磁放射自体が粒子であることを信じられなかった（例えば、ヴィルヘルム・ヴィーン[19]、マックス・プランク[21]、ミリカン[37]のノーベルレクチャー）。その代わり、エネルギーの量子化は物質の未知の制約に由来するという考えが広く信じられた。しかし、量子化を光自身に帰さなければ解釈の難しいコンプトン効果の実験等で、徐々に態度が変わっていった[38]。
コンプトンの実験の後でも、ニールス・ボーア、ヘンリク・アンソニー・クラマース、ジョン・クラーク・スレイターらは、マクスウェルの連続電磁場モデル、いわゆるBKSモデルを最後まで守り続けた[39]。当時得られていたデータを説明するため、2つの過激な仮説が作り出された。
- エネルギーと運動量は、物質と放射の相互作用で平均でしか保存されず、吸収や放出のような本質的な過程では保存されない。
- 因果律を放棄する。
しかし、改良されたコンプトン効果の実験で、エネルギー-運動量は非常に良く保存されることが示され、またコンプトン散乱における電子の振動と新しい光子の生成は、10ピコ秒以内で因果律に従った。その結果、ボーアらは彼らのモデルに「できるだけ立派な葬式」を挙げることにした[40]。BKSモデルは頓挫したものの、ヴェルナー・ハイゼンベルクに行列力学の着想を与えることとなった[41]。
それでも少数の物理学者は、電磁放射を量子化せず、物質のみが量子力学の法則に従うという半古典的モデルを発展させることに固執した[42]。1970年代には化学実験や物理実験から光子の存在の証拠が圧倒的になるものの、光と物質の相互作用に依っていたために、完全に決定的なものとは見なされなかった。1970年代から1980年代には、全ての半古典的理論が決定的に否定され、量子化は光自体の性質だとするアインシュタインの仮説は証明されたとみなされた。
注釈
- ^ この記号はおそらくガンマ線に由来する。なお、化学や光工学では、光子は通常hνの記号で光子のエネルギーとして表される。ここで、hはプランク定数、νは周波数である。また稀に周波数をfとしてhfで表されることもある。
- ^ 波動の側面を強調する場合、現代でも光量子の用語を使うことがある。水島(1994) pp.32-33
- ^ ２人の研究成果は互いに補うものようなものであり、光の本性の研究に対する貢献の大きさとしてはどちらに帰属するかどうかは確定が難しいものである。
- ^ なお、アインシュタインの残りの人生の大半を占めた統一場理論の探求の目的は、如何にしてマクスウェルの波の理論と実験で観測される粒子としての性質を統合するかであったと言われる。Pais, A. (1982). Subtle is the Lord: The Science and the Life of Albert Einstein. Oxford University Press. ISBN 0-19-853907-X
- ^ なぜならば、基準系の重心では、衝突した反粒子は正味の運動量を持たないのに対して単一の光子は（周波数や波長がゼロにはならないため）常に運動量を持つ。そのため、運動量保存則を満たすために、正味の運動量がゼロとなる少なくとも二つの光子が生成される必要がある（ただし、陽電子が原子核中の陽子と対消滅する場合等、系が別の粒子や場と相互作用している場合は、クーロン力が並進対称性を破るため、一つの光子が生成することが可能である）。二つの光子のエネルギー（周波数）は、運動量保存則で決定される。
- ^ マクスウェル方程式は電磁波の可能なすべてのエネルギーを対象とするものであったので、ほとんどの物理学者は当初、プランクのエネルギーの量子化は、放射を吸収、放出する物質の未知の制約に由来すると考えていた。しかし、アインシュタインはこのとき初めて、エネルギーの量子化は電磁放射自体の性質として提案した。
- ^ 特に光子モデルでは光のエネルギーは周波数に依存するとし、物質と放射としての振舞いを熱平衡で説明する。また、マックス・プランクが半古典モデルで説明しようとした黒体放射の性質も説明できる。半古典モデルは量子力学の発展に貢献した。Kimble, H.J.; Dagenais, M.; Mandel, L. (1977). “Photon Anti-bunching in Resonance Fluorescence”. Physical Review Letters 39 (11): 691-695. Bibcode: 1977PhRvL..39..691K. doi:10.1103/PhysRevLett.39.691.
- ^ 光電効果は、1887年にヘルツ及び翌1888年にドイツの物理学者ヴィルヘルム・ハルヴァックス（Wilhelm Hallwachs）によって発見された 。
- ^ quanta（量子）という用語は1900年以前から、電気を含む離散量を表す用語として使われていたことから、これは次第にエネルギー量子（energy quantum）と呼ばれるようになっていた。
- ^ 他にもアインシュタインが近似式としてしか得ていなかった公式 E=mc2 を精確な結果として導出することができた。
- ^
なお、"輻射の量子がエネルギーとともに方向をもった運動量を運ぶことをきわめて説得的に示す"というコンプトンの結論に対して、当初は強い反対があったが、1924年には完全に受け入れられるようになったということである。
物理学史II(1968) pp.183-184 - ^ ただし、ルイスの光の粒子の概念は生成も破壊もされない光の原子に相当するもので、アインシュタインの光量子概念とは異なっていた。
- ^ この定式化されたばかりの量子力学が議論されたこの第５回はソルベー会議全体の中でももっとも有名な会議である。しかしながら、主題にあげられた光子（photon）の命名を前年に行ったばかりのルイス自身は会議に招待されなかった。代わりにルイス＝ラングミュアの原理で知られるアメリカの物理化学者のアーヴィング・ラングミュアが、主題の量子力学への貢献は何もないのになぜか招待された。
Coffey(2008) p.188 - ^ 現代物理学において、原子に対してどのような操作を加えても変化せず安定的である根拠は、この湯川の中間子論に求められる。
出典
- ^ a b c d e f Amsler, C. et al. (Particle Data Group) (2008 +2009 partial update). “Review of Particle Physics: Gauge and Higgs bosons”. Physics Letters B 667: 1. Bibcode: 2008PhLB..667....1P. doi:10.1016/j.physletb.2008.07.018.
- ^ C・ロヴェッリ『すごい物理学講義』河出文庫、2019年、148頁。
- ^ E.g., Appendix XXXII in Born, M. (1962). Atomic Physics. Blackie & Son. ISBN 0-486-65984-4
- ^ Kobychev, V.V.; Popov, S.B. (2005). “Constraints on the photon charge from observations of extragalactic sources”. Astronomy Letters 31 (3): 147-151. arXiv:hep-ph/0411398. Bibcode: 2005AstL...31..147K. doi:10.1134/1.1883345.
- ^ Role as gauge boson and polarization section 5.1 inAitchison, I.J.R.; Hey, A.J.G. (1993). Gauge Theories in Particle Physics. IOP Publishing. doi:10.1201/9781315275253. ISBN 0-85274-328-9
- ^ See p.31 inAmsler, C.; et al. (2008). “Review of Particle Physics”. Physics Letters B 667: 1-1340. Bibcode: 2008PhLB..667....1P. doi:10.1016/j.physletb.2008.07.018.
- ^ Raman, Chandrasekhara Venkata; Bhagavantam, S (1931) (PDF). IJP V6 p353.pdf Experimental proof of the spin of the photon. Indian Association for the Cultivation of Science.
- ^ E.g., section 1.3.3.2 in Burgess, C.; Moore, G. (2007). The Standard Model. A Primer. Cambridge University Press. ISBN 0-521-86036-9
- ^ E.g., section 9.3 in Alonso, M.; Finn, E.J. (1968). Fundamental University Physics Volume III: Quantum and Statistical Physics. Addison-Wesley
- ^ Mermin, David (February 1984). “Relativity without light”. American Journal of Physics 52 (2): 119-124. Bibcode: 1984AmJPh..52..119M. doi:10.1119/1.13917.
- ^ Plimpton, S.; Lawton, W. (1936). “A Very Accurate Test of Coulomb's Law of Force Between Charges”. Physical Review 50 (11): 1066. Bibcode: 1936PhRv...50.1066P. doi:10.1103/PhysRev.50.1066.
- ^ Williams, E.; Faller, J.; Hill, H. (1971). “New Experimental Test of Coulomb's Law: A Laboratory Upper Limit on the Photon Rest Mass”. Physical Review Letters 26 (12): 721. Bibcode: 1971PhRvL..26..721W. doi:10.1103/PhysRevLett.26.721.
- ^ Chibisov, G V (1976). “Astrophysical upper limits on the photon rest mass”. Soviet Physics Uspekhi 19 (7): 624. Bibcode: 1976SvPhU..19..624C. doi:10.1070/PU1976v019n07ABEH005277.
- ^ Lakes, Roderic (1998). “Experimental Limits on the Photon Mass and Cosmic Magnetic Vector Potential”. Physical Review Letters 80 (9): 1826. Bibcode: 1998PhRvL..80.1826L. doi:10.1103/PhysRevLett.80.1826.
- ^ Amsler, C; Doser, M; Antonelli, M; Asner, D; Babu, K; Baer, H; Band, H; Barnett, R et al. (2008). “Review of Particle Physics?”. Physics Letters B 667: 1. Bibcode: 2008PhLB..667....1P. doi:10.1016/j.physletb.2008.07.018. Summary Table
- ^ Adelberger, Eric; Dvali, Gia; Gruzinov, Andrei (2007). “Photon-Mass Bound Destroyed by Vortices”. Physical Review Letters 98 (1): 010402. arXiv:hep-ph/0306245. Bibcode: 2007PhRvL..98a0402A. doi:10.1103/PhysRevLett.98.010402. PMID 17358459. preprint
- ^ Wilczek, Frank (2010). The Lightness of Being: Mass, Ether, and the Unification of Forces. Basic Books. p. 212. ISBN 9780465018956
- ^ Buchwald, J.Z. (1989). The Rise of the Wave Theory of Light: Optical Theory and Experiment in the Early Nineteenth Century. University of Chicago Press. ISBN 0-226-07886-8. OCLC 18069573
- ^ a b Wien, W. (1911年). “Wilhelm Wien Nobel Lecture”. 2012年12月8日閲覧。
- ^ a b Planck, M. (1901). “On the Law of Distribution of Energy in the Normal Spectrum”. Annalen der Physik 4 (3): 553-563. Bibcode: 1901AnP...309..553P. doi:10.1002/andp.19013090310. オリジナルの2008年4月18日時点におけるアーカイブ。.
- ^ a b Planck, M. (1920年). “Max Planck's Nobel Lecture”. 2012年12月8日閲覧。
- ^ Einstein, A. (1905). “Uber einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt”. Annalen der Physik 17 (6): 132-148. Bibcode: 1905AnP...322..132E. doi:10.1002/andp.19053220607.（光の発生と変脱とに関するひとつの発見的方法について） 光量子論(1969)収録
- ^ Grangier, P.; Roger, G.; Aspect, A. (1986). “Experimental Evidence for a Photon Anticorrelation Effect on a Beam Splitter: A New Light on Single-Photon Interferences”. Europhysics Letters 1 (4): 173-179. Bibcode: 1986EL......1..173G. doi:10.1209/0295-5075/1/4/004.
- ^ A.Einstein (1906), Zur Theorie der Lichterzeugung und Lichtabsorption, 20, pp. 199-206（光の発生と光の吸収の理論について）光量子論(1969)収録
- ^ Gilbert N. Lewis (1908), “A Revision of the Fundamental Laws of Matter and Energy”, Philosophical Magazine, 6th series: 510-523（物質とエネルギーに関する基本法則の一修正） 相対論(1969) 収録
- ^ Gilbert N. Lewis (1908). “LIX. A revision of the fundamental laws of matter and energy”. The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science (Taylor & Francis) 16 (95): 705-717. doi:10.1080/14786441108636549.
- ^ a b Einstein, A. (1909). “Uber die Entwicklung unserer Anschauungen uber das Wesen und die Konstitution der Strahlung”. Physikalische Zeitschrift 10: 817-825.光量子論(1969)収録
- ^ Einstein, A. (1916). “Zur Quantentheorie der Strahlung”. Mitteilungen der Physikalischen Gesellschaft zu Zurich 16: 47. Also Physikalische Zeitschrift, 18, 121-128 (1917). （輻射の量子論） 光量子論(1969)収録
- ^ a b Compton, A. (1923). “A Quantum Theory of the Scattering of X-rays by Light Elements”. Physical Review 21 (5): 483-502. Bibcode: 1923PhRv...21..483C. doi:10.1103/PhysRev.21.483.
- ^ アイザック・アシモフは、アーサー・コンプトンが1923年に光子としてのエネルギーの量子化を定義したと記している。Asimov, I. (1966). The Neutrino, Ghost Particle of the Atom. Garden City (NY): Doubleday. ISBN 0-380-00483-6. LCCN 66-3、Asimov, I. (1966). The Universe From Flat Earth To Quasar. New York (NY): Walker. ISBN 0-8027-0316-X. LCCN 66-5
- ^
C・ゼーリッヒ 著、広重 徹(訳) 編『アインシュタインの生涯』1974年。 p.152 の訳注
なお、アインシュタインはこの決定を、たまたま旅行中の船の上で聞いたと言われる。 - ^ Presentation speech by Svante Arrhenius for the 1921 Nobel Prize in Physics, December 10, 1922. Online text from [nobelprize.org], The Nobel Foundation 2008. Access date 2008-12-05.
- ^ Lewis, G.N. (1926). “The conservation of photons”. Nature 118 (2981): 874-875. Bibcode: 1926Natur.118..874L. doi:10.1038/118874a0., The origin of the word "photon"
- ^ :"At Compton's suggestion, the Fifth Solvey Conference on Physics in 1927 adopted Lewis's term "photon" for the particle that carried radiation, but as used it did not signify Lewis's atom of radiation but rather Einstein's quantum."
Coffey(2008) pp.182-183から引用。なおコンプトン兄弟（アーサー・コンプトン、カール・コンプトン）の内どちらの提案であるかは記載がない。 - ^ 中村誠太郎『湯川秀樹と朝永振一郎』読売新聞社、1992年。 p.28、 田中正『湯川秀樹とアインシュタイン』岩波書店、2008年。 p.103
- ^ この直接的証拠とされる写真とその考え方については、有馬(1994) p.2,4 参照。
- ^ a b Millikan, R.A (1924年). “Robert A. Millikan's Nobel Lecture”. 2012年12月8日閲覧。
- ^ Hendry, J. (1980). “The development of attitudes to the wave-particle duality of light and quantum theory, 1900-1920”. Annals of Science 37 (1): 59-79. doi:10.1080/00033798000200121.
- ^ Bohr, N.; Hendrik Anthony Kramers; John C. Slater (1924). “The Quantum Theory of Radiation”. Philosophical Magazine 47: 785-802. Also Zeitschrift fur Physik, 24, 69 (1924).
- ^ Pais, A. (1982). Subtle is the Lord: The Science and the Life of Albert Einstein. Oxford University Press. ISBN 0-19-853907-X
- ^ Heisenberg, W. (1933年). “Heisenberg Nobel lecture”. 2012年12月8日閲覧。
- ^ Mandel, L. (1976). E. Wolf. ed. “The case for and against semiclassical radiation theory”. Progress in Optics. Progress in Optics (North-Holland) 13: 27-69. doi:10.1016/S0079-6638(08)70018-0. ISBN 978-0-444-10806-7.
- >> 「光子」を含む用語の索引
- 光子のページへのリンク
