古代 こだい から、光 ひかり の本性 ほんしょう については「光 ひかり の波動 はどう 説 せつ 」と「光 ひかり の粒子 りゅうし 説 せつ 」の2つが存在 そんざい し、長 なが い間 あいだ にわたって対立 たいりつ していた。19世紀 せいき 末 まつ ごろに電磁場 でんじば に対 たい するマックスウェルの理論 りろん がハインリヒ・ヘルツ によって検証 けんしょう され、光 ひかり の波動 はどう 説 せつ は確立 かくりつ された。しかし、光 ひかり の波動 はどう 性 せい は黒 くろ 体 たい 放射 ほうしゃ のエネルギー分布 ぶんぷ を説明 せつめい することができなかった。そのため、マックス・プランク は物質 ぶっしつ のエネルギー吸収 きゅうしゅう ・放出 ほうしゅつ の性質 せいしつ としてエネルギー量子 りょうし の概念 がいねん を発表 はっぴょう した。
ドイツの物理 ぶつり 学者 がくしゃ のアルベルト・アインシュタイン は、光 ひかり の波動 はどう 説 せつ を支持 しじ しつつ、新 あたら しい光 ひかり の粒子 りゅうし 説 せつ (光量子 こうりょうし 仮説 かせつ )を主張 しゅちょう した[ 2] 。
アメリカの物理 ぶつり 化学 かがく 者 しゃ ギルバート・ニュートン・ルイス は古典 こてん 的 てき な光 ひかり の粒子 りゅうし 説 せつ を採用 さいよう した上 うえ で、アインシュタインと同種 どうしゅ の領域 りょういき で内容 ないよう 的 てき に異 こと なる具体 ぐたい 的 てき な研究 けんきゅう 成果 せいか を上記 じょうき 研究 けんきゅう に1年 ねん 遅 おく れて発表 はっぴょう した。
それぞれ微妙 びみょう に異 こと なる光 ひかり の本性 ほんしょう に関 かん する研究 けんきゅう が平行 へいこう していたが、第 だい 一 いち 次 じ 世界 せかい 大戦 たいせん を経 へ た1920年代 ねんだい に入 はい ると、アーサー・コンプトン によるコンプトン効果 こうか の研究 けんきゅう に端 はし を発 はっ して、1926年 ねん から1927年 ねん 頃 ごろ にかけて、それら二 ふた つの系統 けいとう は光子 こうし (photon)という名称 めいしょう で一応 いちおう の統一 とういつ がなされた[ 注 ちゅう 3] [ 注 ちゅう 4] 。
量子 りょうし 論 ろん では光子 こうし は「ボース粒子 りゅうし 」と呼 よ ばれる分類 ぶんるい の量子 りょうし である。
マイケルソン・モーリーの実験 じっけん によれば、真空 しんくう 中 ちゅう の光速 こうそく は c である。電磁波 でんじは の放射 ほうしゃ 圧 あつ は、単位 たんい 時間 じかん 単位 たんい 面積 めんせき 当 あ たりの光子 こうし の運動 うんどう 量 りょう の転移 てんい に由来 ゆらい する[ 3] 。
光子 こうし は常 つね に真空 しんくう 中 ちゅう の光 ひかり の速度 そくど と同 おな じ速度 そくど で動 うご く。
光線 こうせん 中 ちゅう の振動 しんどう 数 すう ν にゅー の光子 こうし に対 たい して、以下 いか のようにエネルギー ε いぷしろん と運動 うんどう 量 りょう p を定義 ていぎ することができる。これは、外部 がいぶ 光 こう 電 でん 効果 こうか とコンプトン効果 こうか の実験 じっけん 結果 けっか により確認 かくにん されている。
ϵ
=
h
ν にゅー
,
p
=
h
ν にゅー
c
{\displaystyle \epsilon =h\nu \;\;,\;\;p={\frac {h\nu }{c}}}
またルイスによれば、光子 こうし の静止 せいし 質量 しつりょう mrest は0である。
素粒子 そりゅうし 論 ろん における物理 ぶつり 的 てき 性質 せいしつ
光子 こうし は電荷 でんか を持 も たない[ 4] 。質量 しつりょう はゼロであり、寿命 じゅみょう は無 な い。光子 こうし は2次元 じげん の偏 へん 光 こう 状態 じょうたい を持 も つ。波数 はすう ベクトル の成分 せいぶん は、波長 はちょう λ らむだ とその伝播 でんぱ 方向 ほうこう を決定 けってい する。光子 こうし は電磁気 でんじき のゲージ粒子 りゅうし であり[ 5] 、そのため光子 こうし のその他 た の量子 りょうし 数 すう (レプトン数 すう 、バリオン数 すう 、フレーバー量子 りょうし 数 すう )はゼロである[ 6] 。
光子 こうし は様々 さまざま な自然 しぜん 過程 かてい で放出 ほうしゅつ される。例 たと えば、あらゆる物体 ぶったい は熱 ねつ 放射 ほうしゃ により、常 つね に光子 こうし を放出 ほうしゅつ し続 つづ けている。また、電荷 でんか が加速 かそく されるとシンクロトロン放射 ほうしゃ を発 はっ する。分子 ぶんし 、原子 げんし 、原子核 げんしかく が低 ひく いエネルギー準 じゅん 位 い に遷移 せんい すると、赤外線 せきがいせん からガンマ線 がんません まで様々 さまざま なエネルギーの光子 こうし が放出 ほうしゅつ される。粒子 りゅうし とその反 はん 粒子 りゅうし が対 たい 消滅 しょうめつ する時 とき にも光子 こうし が発生 はっせい する(例 たと えば電子 でんし -陽電子 ようでんし 対 たい 消滅 しょうめつ )。
光子 こうし は、周波数 しゅうはすう とは独立 どくりつ なスピン角 かく 運動 うんどう 量 りょう も運 はこ ぶ[ 7] 。スピンの大 おお きさは
2
ℏ
{\displaystyle \scriptstyle {{\sqrt {2}}\hbar }}
で、運動 うんどう の方向 ほうこう に沿 そ って測定 そくてい される成分 せいぶん であるヘリシティー は±ħ である。二 ふた つのヘリシティーの値 ね は右 みぎ 巻 ま き、左巻 ひだりま きと呼 よ ばれ、光子 こうし の2つの円 えん 偏 へん 光 こう の状態 じょうたい に対応 たいおう する[ 8] 。
空間 くうかん で粒子 りゅうし と反 はん 粒子 りゅうし が対 たい 消滅 しょうめつ すると、少 すく なくとも二 ふた つの光子 こうし が生成 せいせい される[ 注 ちゅう 5] 。別 べつ の見方 みかた をした場合 ばあい 、光子 こうし は自身 じしん の反 はん 粒子 りゅうし と考 かんが えることもできる。逆 ぎゃく 過程 かてい の対 たい 生成 せいせい は、ガンマ線 がんません 等 とう の高 こう エネルギーの光子 こうし が物質 ぶっしつ の中 なか を進 すす む間 あいだ にエネルギーを失 うしな う過程 かてい である[ 9] 。この過程 かてい は、原子核 げんしかく の電磁場 でんじば で「一 ひと つの光子 こうし を生 う み出 だ す対 たい 消滅 しょうめつ 」の逆 ぎゃく 過程 かてい である。
光子 こうし は、現在 げんざい では厳密 げんみつ に質量 しつりょう ゼロと理解 りかい されているが、ごくわずかな質量 しつりょう をもつ可能 かのう 性 せい は残 のこ されている。もし光子 こうし の質量 しつりょう が厳密 げんみつ にゼロでなければ、光 ひかり の速 はや さは光速 こうそく cよりも少 すこ しだけ遅 おそ くなるはずである。この場合 ばあい 、光速 こうそく c は、全 すべ ての物体 ぶったい が理論 りろん 的 てき に超 こ えられない最 さい 高速度 こうそくど ということになるが、相対性理論 そうたいせいりろん は影響 えいきょう されない[ 10] 。
光子 こうし に質量 しつりょう があると仮定 かてい すると、クーロンの法則 ほうそく が修正 しゅうせい され、電磁場 でんじば は余分 よぶん な物理 ぶつり 学 がく 的 てき 自由 じゆう 度 ど を持 も つことになる。クーロンの法則 ほうそく が完全 かんぜん な真 しん でなければ、外部 がいぶ 電磁場 でんじば に晒 さら される中空 なかぞら 導体 どうたい の内部 ないぶ に電磁場 でんじば が発生 はっせい することになる[ 11] 。ただし、クーロンの法則 ほうそく は非常 ひじょう に高 たか い確度 かくど を持 も つことが確認 かくにん されており、もし光子 こうし に質量 しつりょう があるとしても、その上限 じょうげん は m ≲ 10−14 eV/c 2 の範囲 はんい である[ 12] 。
銀河 ぎんが の磁位 ベクトルの効果 こうか を検出 けんしゅつ することで、さらに精度 せいど の良 よ い上限 じょうげん 値 ち を得 え ることができる。銀河 ぎんが の磁場 じば は非常 ひじょう に遠 とお くまで届 とど くため、その磁位ベクトルは巨大 きょだい であるが、光子 こうし の質量 しつりょう がゼロであれば磁場 じば のみが観測 かんそく される。もし光子 こうし が質量 しつりょう を持 も てば、質量 しつりょう 項 こう は銀河 ぎんが のプラズマに影響 えいきょう を与 あた えるはずである。そのような効果 こうか は検出 けんしゅつ されていないことから、光子 こうし の質量 しつりょう の上限 じょうげん はm < 3× 10−27 eV/c2 と示唆 しさ される[ 13] 。銀河 ぎんが の磁位ベクトルは、帯磁 たいじ 環 たまき のトルクを測定 そくてい することで直接 ちょくせつ 検出 けんしゅつ することが可能 かのう である[ 14] 。そのような方法 ほうほう を用 もち いて、パーティクルデータグループ により 10−18 eV/c 2 (原子 げんし 質量 しつりょう 単位 たんい の1.07×10-27 倍 ばい に相当 そうとう )という上限 じょうげん 値 ち が得 え られた[ 15] 。
銀河 ぎんが の磁位ベクトルを用 もち いた質量 しつりょう 上限 じょうげん の推定 すいてい は、モデルに依存 いぞん することが示 しめ されている[ 16] 。光子 こうし の質量 しつりょう がヒッグス機構 きこう によって生 う み出 だ される場合 ばあい は、クーロンの法則 ほうそく が正当 せいとう 化 か され、上限 じょうげん 値 ち はm ≲ 10−14 eV/c 2 となる。
超 ちょう 伝導 でんどう 体 たい 中 なか の光子 こうし は、ゼロではない有効 ゆうこう 質量 しつりょう を持 も ち、その結果 けっか 、電磁 でんじ 力 りょく の届 とど く範囲 はんい は超 ちょう 伝導 でんどう 体 たい 中 ちゅう の短 みじか い範囲 はんい になる[ 17] 。
1805年 ねん に行 おこな われたトーマス・ヤングの二 に 重 じゅう スリット実験 じっけん は、光 こう は波 は として振 ふ る舞 ま うことを示 しめ し、初期 しょき の光 ひかり の粒子 りゅうし 説 せつ を打破 だは した。
古代 こだい ・中世 ちゅうせい を通 とお して光 ひかり は哲学 てつがく 者 しゃ や自然 しぜん を研究 けんきゅう する学者 がくしゃ にとって関心 かんしん の的 てき であった。光 ひかり の本性 ほんしょう についての研究 けんきゅう は、大 おお きく「光 ひかり の波動 はどう 説 せつ 」と「光 ひかり の粒子 りゅうし 説 せつ 」の二 ふた つが存在 そんざい しておりそれぞれ歴史 れきし 的 てき に対立 たいりつ をしていた。
ニュートン力学 りきがく を完成 かんせい させたアイザック・ニュートン などは粒子 りゅうし 説 せつ に基 もと づくモデルを提案 ていあん していたことから、18世紀 せいき までは光 ひかり の粒子 りゅうし 説 せつ が優勢 ゆうせい に立 た っていた。ところが、19世紀 せいき 初頭 しょとう 、トーマス・ヤング とオーギュスタン・ジャン・フレネル が光 ひかり の干渉 かんしょう と回折 かいせつ を明確 めいかく に示 しめ したことから、19世紀 せいき 中頃 なかごろ には光 ひかり の波動 はどう 説 せつ が優勢 ゆうせい に立 た つこととなった[ 18] 。さらに、1865年 ねん には、ジェームズ・クラーク・マクスウェル は光 ひかり は電磁波 でんじは の一種 いっしゅ であると予測 よそく し、それを1888年 ねん にハインリヒ・ヘルツ が実験 じっけん 的 てき に確 たし かめたことから、光 ひかり の本性 ほんしょう としての光 ひかり の波動 はどう 説 せつ は確定 かくてい されたかのようにみなされた。
1900年 ねん 、光 ひかり を電磁波 でんじは の振動 しんどう と考 かんが えるマクスウェルの光 ひかり のモデルの理論 りろん は完成 かんせい したように見 み えた。しかし、波 なみ のモデルでは説明 せつめい できないいくつかの現象 げんしょう が観測 かんそく され、光 ひかり エネルギーを量子 りょうし 化 か することによる説明 せつめい に繋 つな がった。レーザー実験 じっけん は、これらの光量子 こうりょうし が運動 うんどう 量 りょう も運 はこ び、粒子 りゅうし としても考 かんが えられることを示 しめ した。これにより「光子 こうし 」という概念 がいねん が生 う まれ、電磁場 でんじば 自体 じたい の理解 りかい に繋 つな がった。
ところが、19世紀 せいき 末 まつ ごろになると、黒 くろ 体 たい 輻射 ふくしゃ のエネルギー分布 ぶんぷ 式 しき を理論 りろん 的 てき に求 もと めるにあたって、光 ひかり の波動 はどう 説 せつ を代表 だいひょう するマックスウェル方程式 ほうていしき などでは説明 せつめい しきれないことが問題 もんだい となり始 はじ めた。
1900年 ねん 、マックス・プランク は黒 くろ 体 たい 輻射 ふくしゃ のエネルギー分布 ぶんぷ 式 しき の問題 もんだい 点 てん [ 19] を解決 かいけつ するにあたって、物質 ぶっしつ が放出 ほうしゅつ または吸収 きゅうしゅう するエネルギーは連続 れんぞく 量 りょう とするのではなく振動 しんどう 数 すう ν にゅー に比例 ひれい した有限 ゆうげん の大 おお きさ E =hν にゅー をもつ塊 かたまり と考 かんが えるとうまく実験 じっけん 結果 けっか と合 あ うと発表 はっぴょう し[ 20] [ 21] 、この最小 さいしょう エネルギー単位 たんい をエネルギー要素 ようそ (energy element)と呼 よ んだ[ 20] 。これはあくまで光 ひかり の波動 はどう 説 せつ に立 た ったもので、あくまで物質 ぶっしつ 的 てき な制約 せいやく だと考 かんが えられた。
1905年 ねん 、アルベルト・アインシュタイン は、電磁波 でんじは が広 ひろ がる際 さい のエネルギー配分 はいぶん は空間 くうかん 的 てき に連続 れんぞく 的 てき に行 おこな われないと主張 しゅちょう し[ 注 ちゅう 6] 、そのエネルギー量子 りょうし の大 おお きさはその振動 しんどう 数 すう に比例 ひれい すると仮定 かてい すると[ 注 ちゅう 7] 、(外部 がいぶ )光 ひかり 電 でん 効果 こうか [ 注 ちゅう 8] などをうまく説明 せつめい することができることを示 しめ した[ 22] [ 23] 。アインシュタインはこれを光量子 こうりょうし (light quantum)と呼 よ び[ 注 ちゅう 9] 、さらにプランクが導入 どうにゅう した仮説 かせつ を光量子 こうりょうし 仮説 かせつ と名付 なづ けた[ 24] 。
ϵ
=
h
ν にゅー
{\displaystyle \epsilon =h\nu }
(h : プランク定数 ていすう 、 ν にゅー : 光 ひかり の振動 しんどう 数 すう 、 ε いぷしろん : 振動 しんどう 数 すう ν にゅー の光 ひかり の中 なか の光量子 こうりょうし のエネルギー)
1908年 ねん 、アメリカの物理 ぶつり 化学 かがく 者 しゃ のギルバート・ニュートン・ルイス は、アインシュタインの1905年 ねん に発表 はっぴょう した特殊 とくしゅ 相対性理論 そうたいせいりろん の論文 ろんぶん を参照 さんしょう してはいるものの特殊 とくしゅ 相対性原理 そうたいせいげんり を無視 むし して、代 か わりに光量子 こうりょうし 仮説 かせつ とも異 こと なる完全 かんぜん な光 ひかり の粒子 りゅうし 説 せつ (光 ひかり の粒子 りゅうし が光速 こうそく で運動 うんどう するとき 、エネルギー、質量 しつりょう そして運動 うんどう 量 りょう をもつ )を前提 ぜんてい とし、物体 ぶったい の質量 しつりょう はその速度 そくど に依存 いぞん するという公理 こうり を持 も つ非 ひ ニュートン力学 りきがく の体系 たいけい を発表 はっぴょう した(ルイスの非 ひ ニュートン力学 りきがく )[ 25] [ 26] 。この体系 たいけい によれば、静止 せいし 質量 しつりょう (rest mass)と呼 よ ばれる質量 しつりょう 概念 がいねん を定義 ていぎ した上 うえ で、光 ひかり の粒子 りゅうし はもし光速 こうそく よりもわずかに遅 おそ くなったとするとその質量 しつりょう は0になると結論 けつろん した[ 注 ちゅう 10] 。
m
r
e
s
t
=
0
{\displaystyle m_{rest}=0}
(mrest : 光 ひかり の粒子 りゅうし の静止 せいし 質量 しつりょう )
1909年 ねん 、アインシュタインは光 ひかり の波動 はどう 説 せつ の前提 ぜんてい であるエーテル 概念 がいねん を放棄 ほうき の上 うえ 、光 ひかり の波動 はどう 説 せつ と光 ひかり の粒子 りゅうし 説 せつ を融合 ゆうごう させることが必要 ひつよう であると主張 しゅちょう した[ 27] 。
1916年 ねん 、アインシュタインは輻射 ふくしゃ による吸収 きゅうしゅう や放出 ほうしゅつ の際 さい には運動 うんどう 量 りょう の付与 ふよ も起 お こると述 の べ[ 28] 、光量子 こうりょうし 仮説 かせつ に実質 じっしつ 的 てき な変更 へんこう が加 くわ えられた(光量子 こうりょうし 仮説 かせつ はエネルギーに関 かん するもので、1909年 ねん の論文 ろんぶん でわずかに触 ふ れてはいたものの[ 27] 、運動 うんどう 量 りょう については何 なに も述 の べていなかった)。
1918年 ねん 頃 ごろ から現在 げんざい コンプトン効果 こうか と呼 よ ばれる現象 げんしょう に、古典 こてん 的 てき な理論 りろん で説明 せつめい を与 あた えることに取 と り組 く んでいたアーサー・コンプトン は、1922年 ねん に至 いた って古典 こてん 的 てき 理論 りろん ではこの現象 げんしょう は説明 せつめい できないと結論 けつろん し、光量子 こうりょうし 仮説 かせつ とルイスらの理論 りろん を組 く み合 あ わせるようにX線 せん はエネルギー hν にゅー 、運動 うんどう 量 りょう hν にゅー /c をもつ粒子 りゅうし とみなした上 うえ で、「光 ひかり の粒子 りゅうし と自由 じゆう 電子 でんし が弾性 だんせい 衝突 しょうとつ する」というモデルでコンプトン効果 こうか を説明 せつめい し、このときのアインシュタインの光量子 こうりょうし 仮説 かせつ の正当 せいとう 性 せい を立証 りっしょう する形 かたち で1923年 ねん 春 はる に最終 さいしゅう 的 てき な報告 ほうこく を提出 ていしゅつ した[ 注 ちゅう 11] [ 29] [ 30] 。この影響 えいきょう を受 う けるような形 かたち で、1922年 ねん 11月に、光 ひかり 電 でん 効果 こうか の法則 ほうそく の発見 はっけん によって、変則 へんそく 的 てき に一 いち 年 ねん 遡 さかのぼ って1921年 ねん 分 ぶん のノーベル物理 ぶつり 学 がく 賞 しょう がアインシュタインに与 あた えられることが決定 けってい した[ 31] [ 32] 。
p
=
ϵ
c
=
h
ν にゅー
c
{\displaystyle p={\frac {\epsilon }{c}}={\frac {h\nu }{c}}}
(ν にゅー : 光 ひかり の振動 しんどう 数 すう 、 p : 振動 しんどう 数 すう ν にゅー の光 ひかり の中 なか の光量子 こうりょうし の運動 うんどう 量 りょう )
1926年 ねん 、もともと光 ひかり の粒子 りゅうし は運動 うんどう 量 りょう を持 も つということを主張 しゅちょう していたギルバート・ルイス は、ギリシア語 ご で「光 ひかり 」を意味 いみ するφ ふぁい ῶςを由来 ゆらい にこの光 ひかり の粒子 りゅうし をphoton (フォトン、光子 こうし )と名付 なづ けた[ 33] [ 注 ちゅう 12] 。翌 よく 1927年 ねん 10月 がつ には、コンプトンの提案 ていあん [ 34] で開催 かいさい された第 だい 5回 かい ソルベー会議 かいぎ では主題 しゅだい が"Electrons et photons (電子 でんし と光子 こうし )"と、早速 さっそく "photon" の用語 ようご が取 と り入 い れられることとなった[ 注 ちゅう 13] 。同年 どうねん 1927年 ねん にはアーサー・コンプトン がコンプトン効果 こうか の研究 けんきゅう でノーベル物理 ぶつり 学 がく 賞 しょう を受賞 じゅしょう すると、多 おお くの科学 かがく 者 しゃ が光 ひかり の量子 りょうし 化 か の正当 せいとう 性 せい を受 う け入 い れ、光量子 こうりょうし を表 あらわ すルイスのphoton という用語 ようご を受 う け入 い れた。
量子 りょうし 論 ろん では、光子 こうし はボース粒子 りゅうし であり、標準 ひょうじゅん 模型 もけい ではさらにゲージ粒子 りゅうし に分類 ぶんるい されている。電荷 でんか 、質量 しつりょう 、スピン角 かく 運動 うんどう 量 りょう 等 ひとし の光子 こうし に固有 こゆう の性質 せいしつ はゲージ理論 りろん から決定 けってい される。光子 こうし の概念 がいねん は、レーザー 、ボーズ・アインシュタイン凝縮 ぎょうしゅく 、量子 りょうし 場 じょう 理論 りろん 、量子力学 りょうしりきがく の確 かく 率 りつ 振幅 しんぷく 等 ひとし 、実験 じっけん 物理 ぶつり 学 がく 及 およ び理論 りろん 物理 ぶつり 学 がく に重大 じゅうだい な進歩 しんぽ をもたらし、光化学 こうかがく 、2光子 こうし 励起 れいき 顕微鏡 けんびきょう 、蛍光 けいこう 共鳴 きょうめい エネルギー移動 いどう 等 ひとし といった応用 おうよう がある。また、光 ひかり コンピューティング や、量子 りょうし コンピュータ の提案 ていあん のうちのいくつかは光子 こうし を利用 りよう する。
湯川 ゆかわ 秀樹 ひでき は、この電磁気 でんじき 力 りょく の媒介 ばいかい 粒子 りゅうし としての光子 こうし のモデルを根拠 こんきょ に、原子 げんし の安定 あんてい 性 せい をもたらす原子核 げんしかく を構成 こうせい する力 ちから (核 かく 力 りょく )の媒介 ばいかい 粒子 りゅうし として中間子 ちゅうかんし と呼 よ ばれる粒子 りゅうし が存在 そんざい する、という理論 りろん を1935年 ねん (昭和 しょうわ 10年 ねん )に提出 ていしゅつ した(中間子 ちゅうかんし 論 ろん )[ 35] [ 注 ちゅう 14] 。これは現代 げんだい の素粒子 そりゅうし 論 ろん の契機 けいき となった。
その他 た 全 すべ ての素粒子 そりゅうし と同様 どうよう に、現在 げんざい のところ光子 こうし は量子力学 りょうしりきがく で最 もっと も良 よ く説明 せつめい され、粒子 りゅうし と波動 はどう の二 に 重 じゅう 性 せい を示 しめ す。例 たと えば、一 ひと つの光子 こうし はレンズ で屈折 くっせつ し、また自身 じしん と干渉 かんしょう するが、位置 いち が明確 めいかく に測定 そくてい できる等 ひとし 、粒子 りゅうし としての振舞 ふるま い[ 36] も見 み せる。
1923年 ねん まで、ほとんどの物理 ぶつり 学者 がくしゃ は光 ひかり 自体 じたい が量子 りょうし 化 か されるという考 かんが え方 かた を受 う け入 い れなかった。その代 か わり、彼 かれ らは光子 こうし の振舞 ふるま いを、ここに示 しめ した水素 すいそ 原子 げんし のボーア模型 もけい のように物質 ぶっしつ のみの量子 りょうし 化 か で説明 せつめい しようとした。このような半 はん 古典 こてん 的 てき モデルは一 いち 次 じ 近似 きんじ であったが、量子力学 りょうしりきがく に繋 つな がった。
アインシュタインの1905年 ねん の予測 よそく は、ロバート・ミリカン のノーベル・レクチャーでも詳 くわ しく語 かた られたように、20世紀 せいき の最初 さいしょ の20年間 ねんかん で様々 さまざま な実験 じっけん によって実証 じっしょう された[ 37] 。しかし、1922年 ねん にコンプトンの実験 じっけん で[ 29] 光子 こうし が波数 はすう に比例 ひれい した角 かく 運動 うんどう 量 りょう を運 はこ ぶことが示 しめ されるまでは、ほとんどの物理 ぶつり 学者 がくしゃ は電磁 でんじ 放射 ほうしゃ 自体 じたい が粒子 りゅうし であることを信 しん じられなかった(例 たと 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 か わり、エネルギーの量子 りょうし 化 か は物質 ぶっしつ の未知 みち の制約 せいやく に由来 ゆらい するという考 かんが えが広 ひろ く信 しん じられた。しかし、量子 りょうし 化 か を光 ひかり 自身 じしん に帰 き さなければ解釈 かいしゃく の難 むずか しいコンプトン効果 こうか の実験 じっけん 等 とう で、徐々 じょじょ に態度 たいど が変 か わっていった[ 38] 。
コンプトンの実験 じっけん の後 のち 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 れんぞく 電磁場 でんじば モデル、いわゆるBKSモデルを最後 さいご まで守 まも り続 つづ けた[ 39] 。当時 とうじ 得 え られていたデータを説明 せつめい するため、2つの過激 かげき な仮説 かせつ が作 つく り出 だ された。
エネルギーと運動 うんどう 量 りょう は、物質 ぶっしつ と放射 ほうしゃ の相互 そうご 作用 さよう で平均 へいきん でしか保存 ほぞん されず、吸収 きゅうしゅう や放出 ほうしゅつ のような本質 ほんしつ 的 てき な過程 かてい では保存 ほぞん されない。
因果律 いんがりつ を放棄 ほうき する。
しかし、改良 かいりょう されたコンプトン効果 こうか の実験 じっけん で、エネルギー-運動 うんどう 量 りょう は非常 ひじょう に良 よ く保存 ほぞん されることが示 しめ され、またコンプトン散乱 さんらん における電子 でんし の振動 しんどう と新 あたら しい光子 こうし の生成 せいせい は、10ピコ秒 びょう 以内 いない で因果律 いんがりつ に従 したが った。その結果 けっか 、ボーアらは彼 かれ らのモデルに「できるだけ立派 りっぱ な葬式 そうしき 」を挙 あ げることにした[ 40] 。BKSモデルは頓挫 とんざ したものの、ヴェルナー・ハイゼンベルク に行列 ぎょうれつ 力学 りきがく の着想 ちゃくそう を与 あた えることとなった[ 41] 。
それでも少数 しょうすう の物理 ぶつり 学者 がくしゃ は、電磁 でんじ 放射 ほうしゃ を量子 りょうし 化 か せず、物質 ぶっしつ のみが量子力学 りょうしりきがく の法則 ほうそく に従 したが うという半 はん 古典 こてん 的 てき モデルを発展 はってん させることに固執 こしつ した[ 42] 。1970年代 ねんだい には化学 かがく 実験 じっけん や物理 ぶつり 実験 じっけん から光子 こうし の存在 そんざい の証拠 しょうこ が圧倒的 あっとうてき になるものの、光 ひかり と物質 ぶっしつ の相互 そうご 作用 さよう に依 よ っていたために、完全 かんぜん に決定的 けっていてき なものとは見 み なされなかった。1970年代 ねんだい から1980年代 ねんだい には、全 すべ ての半 はん 古典 こてん 的 てき 理論 りろん が決定的 けっていてき に否定 ひてい され、量子 りょうし 化 か は光 ひかり 自体 じたい の性質 せいしつ だとするアインシュタインの仮説 かせつ は証明 しょうめい されたとみなされた。
^ この記号 きごう はおそらくガンマ線 がんません に由来 ゆらい する。なお、化学 かがく や光 ひかり 工学 こうがく では、光子 こうし は通常 つうじょう hν にゅー の記号 きごう で光子 こうし のエネルギーとして表 あらわ される。ここで、h はプランク定数 ていすう 、ν にゅー は周波数 しゅうはすう である。また稀 まれ に周波数 しゅうはすう をf としてhf で表 あらわ されることもある。
^ 波動 はどう の側面 そくめん を強調 きょうちょう する場合 ばあい 、現代 げんだい でも光量子 こうりょうし の用語 ようご を使 つか うことがある。水島 みずしま (1994) pp.32-33
^ 2人 ふたり の研究 けんきゅう 成果 せいか は互 たが いに補 おぎな うものようなものであり、光 ひかり の本性 ほんしょう の研究 けんきゅう に対 たい する貢献 こうけん の大 おお きさとしてはどちらに帰属 きぞく するかどうかは確定 かくてい が難 むずか しいものである。
^
なお、アインシュタインの残 のこ りの人生 じんせい の大半 たいはん を占 し めた統一 とういつ 場 じょう 理論 りろん の探求 たんきゅう の目的 もくてき は、如何 いか にしてマクスウェルの波 なみ の理論 りろん と実験 じっけん で観測 かんそく される粒子 りゅうし としての性質 せいしつ を統合 とうごう するかであったと言 い 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 . http://www.questia.com/PM.qst?a=o&d=74596612
^ なぜならば、基準 きじゅん 系 けい の重心 じゅうしん では、衝突 しょうとつ した反 はん 粒子 りゅうし は正味 しょうみ の運動 うんどう 量 りょう を持 も たないのに対 たい して単一 たんいつ の光子 こうし は(周波数 しゅうはすう や波長 はちょう がゼロにはならないため)常 つね に運動 うんどう 量 りょう を持 も つ。そのため、運動 うんどう 量 りょう 保存 ほぞん 則 そく を満 み たすために、正味 しょうみ の運動 うんどう 量 りょう がゼロとなる少 すく なくとも二 ふた つの光子 こうし が生成 せいせい される必要 ひつよう がある(ただし、陽電子 ようでんし が原子核 げんしかく 中 ちゅう の陽子 ようし と対 たい 消滅 しょうめつ する場合 ばあい 等 とう 、系 けい が別 べつ の粒子 りゅうし や場 ば と相互 そうご 作用 さよう している場合 ばあい は、クーロン力 りょく が並進 へいしん 対称 たいしょう 性 せい を破 やぶ るため、一 ひと つの光子 こうし が生成 せいせい することが可能 かのう である)。二 ふた つの光子 こうし のエネルギー(周波数 しゅうはすう )は、運動 うんどう 量 りょう 保存 ほぞん 則 そく で決定 けってい される。
^ マクスウェル方程式 ほうていしき は電磁波 でんじは の可能 かのう なすべてのエネルギーを対象 たいしょう とするものであったので、ほとんどの物理 ぶつり 学者 がくしゃ は当初 とうしょ 、プランクのエネルギーの量子 りょうし 化 か は、放射 ほうしゃ を吸収 きゅうしゅう 、放出 ほうしゅつ する物質 ぶっしつ の未知 みち の制約 せいやく に由来 ゆらい すると考 かんが えていた。しかし、アインシュタインはこのとき初 はじ めて、エネルギーの量子 りょうし 化 か は電磁 でんじ 放射 ほうしゃ 自体 じたい の性質 せいしつ として提案 ていあん した。
^ 特 とく に光子 こうし モデルでは光 ひかり のエネルギー は周波数 しゅうはすう に依存 いぞん するとし、物質 ぶっしつ と放射 ほうしゃ としての振舞 ふるま いを熱 ねつ 平衡 へいこう で説明 せつめい する。また、マックス・プランク が半 はん 古典 こてん モデルで説明 せつめい しようとした黒 くろ 体 たい 放射 ほうしゃ の性質 せいしつ も説明 せつめい できる。半 はん 古典 こてん モデルは量子力学 りょうしりきがく の発展 はってん に貢献 こうけん 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 ひかり 電 でん 効果 こうか は、1887年 ねん にヘルツ 及 およ び翌 よく 1888年 ねん にドイツの物理 ぶつり 学者 がくしゃ ヴィルヘルム・ハルヴァックス(Wilhelm Hallwachs)によって発見 はっけん された
。
^ quanta (量子 りょうし )という用語 ようご は1900年 ねん 以前 いぜん から、電気 でんき を含 ふく む離散 りさん 量 りょう を表 あらわ す用語 ようご として使 つか われていたことから、これは次第 しだい にエネルギー量子 りょうし (energy quantum)と呼 よ ばれるようになっていた。
^ 他 ほか にもアインシュタインが近似 きんじ 式 しき としてしか得 え ていなかった公式 こうしき E=mc2 を精確 せいかく な結果 けっか として導出 どうしゅつ することができた。
^
なお、"輻射 ふくしゃ の量子 りょうし がエネルギーとともに方向 ほうこう をもった運動 うんどう 量 りょう を運 はこ ぶことをきわめて説得 せっとく 的 てき に示 しめ す"というコンプトンの結論 けつろん に対 たい して、当初 とうしょ は強 つよ い反対 はんたい があったが、1924年 ねん には完全 かんぜん に受 う け入 い れられるようになったということである。
物理 ぶつり 学 がく 史 し II(1968) pp.183-184
^ ただし、ルイスの光 ひかり の粒子 りゅうし の概念 がいねん は生成 せいせい も破壊 はかい もされない光 ひかり の原子 げんし に相当 そうとう するもので、アインシュタインの光量子 こうりょうし 概念 がいねん とは異 こと なっていた。
^ この定式 ていしき 化 か されたばかりの量子力学 りょうしりきがく が議論 ぎろん されたこの第 だい 5回 かい はソルベー会議 かいぎ 全体 ぜんたい の中 なか でももっとも有名 ゆうめい な会議 かいぎ である。しかしながら、主題 しゅだい にあげられた光子 こうし (photon)の命名 めいめい を前年 ぜんねん に行 い ったばかりのルイス 自身 じしん は会議 かいぎ に招待 しょうたい されなかった。代 か わりにルイス=ラングミュアの原理 げんり で知 し られるアメリカの物理 ぶつり 化学 かがく 者 しゃ のアーヴィング・ラングミュア が、主題 しゅだい の量子力学 りょうしりきがく への貢献 こうけん は何 なに もないのになぜか招待 しょうたい された。
Coffey(2008) p.188
^ 現代 げんだい 物理 ぶつり 学 がく において、原子 げんし に対 たい してどのような操作 そうさ を加 くわ えても変化 へんか せず安定 あんてい 的 てき である根拠 こんきょ は、この湯川 ゆかわ の中間子 ちゅうかんし 論 ろん に求 もと められる。
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C・ゼーリッヒ 著 ちょ 、広重 ひろしげ 徹 とおる (訳 わけ ) 編 へん 『アインシュタインの生涯 しょうがい 』1974年 ねん 。 p.152 の訳注 やくちゅう
なお、アインシュタインはこの決定 けってい を、たまたま旅行 りょこう 中 ちゅう の船 ふね の上 うえ で聞 き いたと言 い 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.
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^ :"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 いんよう 。なおコンプトン兄弟 きょうだい (アーサー・コンプトン 、カール・コンプトン )の内 うち どちらの提案 ていあん であるかは記載 きさい がない。
^
中村 なかむら 誠 まこと 太郎 たろう 『湯川 ゆかわ 秀樹 ひでき と朝永 あさなが 振一郎 しんいちろう 』読売新聞社 よみうりしんぶんしゃ 、1992年 ねん 。 p.28、
田中 たなか 正 ただし 『湯川 ゆかわ 秀樹 ひでき とアインシュタイン』岩波書店 いわなみしょてん 、2008年 ねん 。 p.103
^ この直接的 ちょくせつてき 証拠 しょうこ とされる写真 しゃしん とその考 かんが え方 かた については、有馬 ありま (1994) p.2,4 参照 さんしょう 。
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