光(光子)には影はできるか?

光そのものは影を作れるのか宇宙・航空科学

雲、木、鳥、テーブル、人、月など、光を遮ったり、影を落としたりするのが得意なものはたくさんあります。

しかし、光そのものはどうでしょうか?

光子(光の粒子)は影を落とすことができるのでしょうか?

一見すると、答えは「ノー」のようです。なぜなら、

光(光子)は電磁波であり、光と光がぶつかってもお互いに跳ね返されたり、消えたりなど直接に相互作用することはありません。

自然界に存在する他の波、例えば浅瀬に石を投げたらできる波紋などは、直接跳ね返ったり、少なくとも互いに影響を及ぼし合ったりすることができます。

しかし、光子はそうではなく、そのまま通り抜けてしまうのです。

そのため、太陽光は携帯電話の電波や人間の視覚を遮ることはありません。

しかし、光子が他の光子と相互作用する可能性がある間接的な方法が3つあります。

以下に、光は影を落とすことができるのかについて詳しくみていきましょう。

影ができるとは?

波でもあり、粒でもある「」は、まっすぐに進みます(光の直進)。

しかし、まっすぐに進む光をさえぎるものがあると、そこに光子がぶつかって進めなくなり、光が届かない場所ができます。それが「影」です。

しかし、光子同士は、お互いに相互作用しないので、ぶつかってもそのまま素通りするだけで、他の光子をさえぎることはできません。

それでは影はできませんね?

そこで、2つの光子がぶつかって、お互いの進行方向を間接的に変える可能性があるのが以下の3つの方法です。

ベストなタイミングで光子と電子がぶつかった場合

まず1つ目は、光子(電気をもたない粒子)が電子(電気を持った粒子)にぶつかり、その電子が別の光子にぶつかると、光子は技術的にはお互いを方向転換したことになります。

しかし、これは電子が適切な場所に適切なタイミングでいなければならないので、光子が単独で影を作るということにはならないと考えてよいでしょう。

他の光子を重力でそらすのは可能か

次に、太陽やブラックホールのような巨大な天体の近くを通る光子は、それらの重力によって曲がった経路をたどります。

たしかに、光子自体もエネルギーと運動量を持っているので、技術的には他の光子を重力でそらすことができます。

どういうことか分かりやすくみていきましょう。

アインシュタインの相対性理論では、光の質量(静止物の動かしにくさ)はゼロです。

ただし、光は止まることなく、いつも同じ速度で動き続けるエネルギーをもっています(ちなみに、宇宙には光の速さを超えるものは存在しません)。

これを「質量=エネルギー」の定義で考えると、重力は、質量に対するものと同じように、エネルギーをもつものにも作用するので、光子が他の光子に影響を与えられると考えたのです。

しかし、残念ながら光子の重力はとてつもなく小さいという問題があります。

これまでに測定された最も高エネルギーな光子でさえ、(ウイルスの)DNA鎖よりも小さい重力場だったことを考えると、光子が顕著な影を作ることはあまり考えられないかもしれません。

他の光子の進行方向を変えられる光子とは?

第三に、超高エネルギー光子は、「電子と陽電子」のような「粒子と反粒子」のペアに自然に変化し、また元に戻ることができます。

この光子が作り出した電子と陽電子のようなペアの物質は、他の光子にぶつかると散乱させるので、結果的に光と光がぶつかってお互いに方向転換させたように見えるのです。

どういうことかというと、

電子:マイナス(ー)の電気をもつ粒子
陽電子:電子と質量やスピン運動などが同じでそっくりなのに、反対の性質(プラス(+)の電気)をもつ「反粒子」

粒子はすべて、自分とそっくりなのに電荷が反対の「反粒子」というペアの粒子がいます。

実際には、反粒子というものは、生まれてすぐにペアとなる粒子とくっついて消えるため、この世界には存在しないため「仮想粒子」と呼ばれています。

ガンマ線のような高エネルギーの光子の衝突によって、反粒子(仮想粒子)は作り出せはするものの、ペアとなる粒子は無数にあるため、すぐにくっついて消えてしまうのです。

しかし、理論上は、反粒子が消滅する前に、この粒子が他の光子を屈折させたり吸収したりして、光子の散乱を引き起こすことは可能です。

つまり、2つの孤立した光子は通常なら、お互いすり抜けますが、光子のエネルギーが高い場合、互いにぶつかったり跳ね返ったりする手段を自発的に作り出すことができるのです。

光子の影

では、光子にはどのような影ができるのでしょうか。

光の影なんて見てみたいと思いませんか?

しかし、光子が互いに跳ね返ることは極めてまれで、かなり高出力のレーザーを用いて注意深く行った実験でも、光子の相互作用を観測することはきわめて難しいでしょう。

これでは、光の影に気づくことはあまり期待できないようです。

しかし、光子が影を落とすという現実的な方法が1つあります。

宇宙はとても広いので、宇宙を進む超高エネルギー光子は、宇宙のいたるところに存在する宇宙マイクロ波背景放射の低エネルギー)光子の1つに偶然に衝突することが考えられます。

そして今、あなたは文字通り、ビッグバンから残された光子によって、超高エネルギーのガンマ線から影を落とされているのです。

参照元:Do Photons Cast Shadows?

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