1438670406 こんにちは.量子力学に詳しい方に質問があります.

光は波であり同時に粒子でもあると聞きました.
例えばここに六方すべて鏡になっている立方体の箱があるとします.(仮想的に鏡は100%の光を反射するとします)箱には小さな開閉可能の入り口があり,そこに懐中電灯で光を注入します.
ある時刻に瞬間的に(Δt→0[s])で扉を閉め,光子を閉じ込めます.
この時,光子を閉じ込めることは可能でしょうか?
もし光子が箱の中に留まるならば,ふたを完全に閉じても箱の中はある程度明るいままであるということになりますが,直観的には真っ暗になる気がします.
また光子が鏡をすり抜けるとしたら,普段からその箱は透けて見えるということになりそれは違うとおもいます.100%の鏡ですので鏡に吸収されることもありません.
図を添付します.どうなるのでしょうか?

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  • 登録:2015/08/04 15:40:06
  • 終了:2015/08/11 15:45:04

ベストアンサー

id:language_and_engineering No.4

lang_and_engine回答回数170ベストアンサー獲得回数632015/08/11 13:59:55

光は電磁波で,また電磁波は光子の集合です。

電磁波がエネルギーをやり取りするときに
光子1粒,2粒・・・というとびとびの単位でのみ
エネルギーを与えるものと考えます。

光を100%反射する鏡とは,電磁波の反射係数が完全であるような物質です。

実際の物質は,電磁波を完全には反射しきれず
一部の電磁波を吸収して熱を帯びるわけですが,
ここでは電磁波を100%反射するような理想的な物質があるとして考えます。

光は速いとはいえ,有限の速さで進みますから,
一瞬だけふたを開けて,すぐにフタを閉めて
鏡の箱の中に閉じ込めるということも一応可能です。
思考実験のレベルですが。

その鏡の箱の中で,電磁波は光線として直進し続け
壁にぶつかっては反射し
ということを繰り返し,いつまでも(幾何光学的に)跳ね返り続けます。
壁面が理想的であれば,それを永遠に繰り返します。

ここで,
箱の壁は100%の電磁波を反射する
という無茶な仮定をおいたので,
箱の外側に光がもれることは一切ありません。
そのため箱の外側から,箱の内側はまったく見えません。

さて,
「明るい」
とは,何かの状態のことではありません。

ある一人の人間の目の網膜にある視神経に,
光子(電磁波のエネルギー)が数粒ぶつかった瞬間に,
「いま私1人の視界の一点で,一瞬だけ明るく見えたぞ」
と感じる一瞬の知覚現象のことをいいます。

光子が視神経にぶつかると,視神経に電流が流れるのです。
その電流は電気信号として脳に伝わり,
人間が明るさや色を知覚するきっかけになります。

光子とは電磁波(のエネルギーの単位)ですから,
波長による違いがあります。
特定の波長帯の電磁波だけを視神経はキャッチします。
その波長の違いによって色の違いを認識します。
視神経がキャッチしないような,
長すぎたり短すぎたりする波長の電磁波は不可視であり,
ご存知のように赤外線や紫外線があります。

なので,たとえ人間の目に見えないような波長であっても電磁波は存在し
光子というエネルギーの単位を持っています。
電磁波を受け取った時に明るいと感じるかどうかは
その波長が見えるかどうか,
つまりその波長を視神経がキャッチするかどうかに依存します。
逆に,人間の視神経にとって見える電磁波だけを光と呼ぶのですが。

光子がぶつかると視神経に電流が流れるのはどうしてか
についてですが,
網膜が光を受け取ると,視神経内にある化学物質が光を吸収し,
その分子内の電子が励起し,その分子についての光化学反応が起こります。
この化学反応の前後で生じたエネルギー差が電気信号になります。
それで,光子がぶつかると視神経に電流が流れるのです。
この電気信号が流れる現象のことを,視神経が興奮するといいます。

ここで,電磁波のもっていたエネルギー
(別名:ポインティングベクトル)は仕事をしたということになります。

つまり,人間の目が「明るい」と感じる現象は
エネルギーが変換・消費される現象です。
光エネルギーがもとになって
光化学反応を起こし,電気信号を生んでいます。

言い換えれば,人間の視神経で光エネルギーが消費されない限り
どこにも「明るい」という現象は存在しません。
また,そのエネルギーが消費され尽くしたら
明るいという知覚認識体験は終わります。

たとえば,暗い部屋でテレビが明るく見える理由は,
テレビの画面にある発光素子から,人間の目に向かって
絶え間なく光子が降り注いでぶつかっているからであり,
もしテレビを消せば目に入る光子もなくなるので
明るいとは感じなくなります。

人間の目に光子がぶつかるかどうか
が問題であるということをご考慮ください。
目を持った人間がいなければ,
さらに目に光子が当たらない限りは,
「明るい」というものは存在しないのです。

ここまでを踏まえたうえで
鏡の箱に話を戻します。

鏡の箱の中で,電磁波が有限の速度で跳ね返り続けているとして
とつぜん箱のふたを開けるとします。

箱の開いた部分から,電磁波がもれてゆき
人間の目にぶつかったら,その瞬間だけ
「明るい」と感じます。

このときいったい何が「明るい」のか?というと,
「その目の持ち主である人間からみて,
どの方向から光子が来たのか」
ということです。

視界の中で,ある一点が明るく光った
というのは,
その一点にある自分の視神経が光子を受けとった
ということだからです。

なので
箱を開けた瞬間に,その開いたスキマの部分に視線を向けていれば
その隙間の部分が一瞬,弱く光ったように見えるかもしれません。
真っ暗な部屋でかすかに一瞬見えるかどうか
という微弱なレベルです。
真っ暗な夜空で,遠くの星の瞬きを目が感じ取れるかどうか
というのと同じ程度です。

言うまでもなくこれは思考実験ですから
現実にこんな事を試したら,鏡の箱の中で
光線が何度も何度も跳ね返るうちに,
あっという間に光は壁に吸収されつくしてしまいます。

なので現実には
フタをあけても,光線が残っておらず
光は出てきません。



・・・というような回答を期待なさっていたのでしょうか。

id:language_and_engineering

補足・・・
こうして考えてみると,この問題には量子力学はとくに関係ない
と言えるかもしれません。

光は波であり,有限速度で直進して反射する
という前提知識だけで理解できますから。
光の粒子性が問題になるわけではなさそうですね。

(もちろん粒子として考えても正しい結論に到達できます。
飛び回る弾丸を,動いているまま箱の中に閉じ込めるようなイメージです。)

本件の要点は,
人間が明るさを認識するメカニズム
でしょうかね。

2015/08/11 17:25:10

その他の回答(3件)

id:sevensterlights No.1

sevensterlights回答回数1ベストアンサー獲得回数02015/08/06 06:42:35

馬鹿なので感想ですが光を閉じ込めるのに、発光元と切り離して閉じこめる解釈なら無理だと。。。重力
論点違いならごめんなさい

id:SORAmamechan

重力論ですか・・?重力波とか名前を聞いたことはあっても全く詳しくないのでよくわからないです.

2015/08/06 15:54:11
id:deep_one No.2

deep_one回答回数86ベストアンサー獲得回数62015/08/06 14:11:39

光子を箱の中に閉じ込めることは可能。でも別に明るくはない。

「アローシュは、合わせ鏡のように二枚の鏡を向き合わせた狭い空間(共振器)を用意して、その中にマイクロ波領域の光子を閉じ込めることに成功した。一九八〇年代のことだ」
http://www.c.u-tokyo.ac.jp/info/about/booklet-gazette/bulletin/554/open/B-8-2.html

id:SORAmamechan

なるほど.ピントの合った回答どうもありがとうございます.
実際に閉じ込めは可能なのですね.

2015/08/06 15:55:33
id:tazikisai-mukou No.3

多食斎友好=世田介回答回数276ベストアンサー獲得回数332015/08/10 23:16:51

私が小学校2年の時、当時の担任の先生が『ふたを閉めたら真っ暗になる(確認は箱の中の人間の目により可能)箱が有ります、その中に太陽の光を閉じ込める=保存=ふたを閉めても、次にその光を取り出せますか?』と問題を出されました。当然、「そら、無理だ、だってふたを閉めた途端、中は真っ暗になる!」と全員。ところが、先生は「できる!」とその方法と理由を(トンチや手品でなく)説明されました。全員納得。この質問は量子力学を使うまでもない、小学低学年の問題ですね。

id:SORAmamechan

できればその理由を説明して頂きたかったです.

2015/08/11 15:38:23
id:language_and_engineering No.4

lang_and_engine回答回数170ベストアンサー獲得回数632015/08/11 13:59:55ここでベストアンサー

光は電磁波で,また電磁波は光子の集合です。

電磁波がエネルギーをやり取りするときに
光子1粒,2粒・・・というとびとびの単位でのみ
エネルギーを与えるものと考えます。

光を100%反射する鏡とは,電磁波の反射係数が完全であるような物質です。

実際の物質は,電磁波を完全には反射しきれず
一部の電磁波を吸収して熱を帯びるわけですが,
ここでは電磁波を100%反射するような理想的な物質があるとして考えます。

光は速いとはいえ,有限の速さで進みますから,
一瞬だけふたを開けて,すぐにフタを閉めて
鏡の箱の中に閉じ込めるということも一応可能です。
思考実験のレベルですが。

その鏡の箱の中で,電磁波は光線として直進し続け
壁にぶつかっては反射し
ということを繰り返し,いつまでも(幾何光学的に)跳ね返り続けます。
壁面が理想的であれば,それを永遠に繰り返します。

ここで,
箱の壁は100%の電磁波を反射する
という無茶な仮定をおいたので,
箱の外側に光がもれることは一切ありません。
そのため箱の外側から,箱の内側はまったく見えません。

さて,
「明るい」
とは,何かの状態のことではありません。

ある一人の人間の目の網膜にある視神経に,
光子(電磁波のエネルギー)が数粒ぶつかった瞬間に,
「いま私1人の視界の一点で,一瞬だけ明るく見えたぞ」
と感じる一瞬の知覚現象のことをいいます。

光子が視神経にぶつかると,視神経に電流が流れるのです。
その電流は電気信号として脳に伝わり,
人間が明るさや色を知覚するきっかけになります。

光子とは電磁波(のエネルギーの単位)ですから,
波長による違いがあります。
特定の波長帯の電磁波だけを視神経はキャッチします。
その波長の違いによって色の違いを認識します。
視神経がキャッチしないような,
長すぎたり短すぎたりする波長の電磁波は不可視であり,
ご存知のように赤外線や紫外線があります。

なので,たとえ人間の目に見えないような波長であっても電磁波は存在し
光子というエネルギーの単位を持っています。
電磁波を受け取った時に明るいと感じるかどうかは
その波長が見えるかどうか,
つまりその波長を視神経がキャッチするかどうかに依存します。
逆に,人間の視神経にとって見える電磁波だけを光と呼ぶのですが。

光子がぶつかると視神経に電流が流れるのはどうしてか
についてですが,
網膜が光を受け取ると,視神経内にある化学物質が光を吸収し,
その分子内の電子が励起し,その分子についての光化学反応が起こります。
この化学反応の前後で生じたエネルギー差が電気信号になります。
それで,光子がぶつかると視神経に電流が流れるのです。
この電気信号が流れる現象のことを,視神経が興奮するといいます。

ここで,電磁波のもっていたエネルギー
(別名:ポインティングベクトル)は仕事をしたということになります。

つまり,人間の目が「明るい」と感じる現象は
エネルギーが変換・消費される現象です。
光エネルギーがもとになって
光化学反応を起こし,電気信号を生んでいます。

言い換えれば,人間の視神経で光エネルギーが消費されない限り
どこにも「明るい」という現象は存在しません。
また,そのエネルギーが消費され尽くしたら
明るいという知覚認識体験は終わります。

たとえば,暗い部屋でテレビが明るく見える理由は,
テレビの画面にある発光素子から,人間の目に向かって
絶え間なく光子が降り注いでぶつかっているからであり,
もしテレビを消せば目に入る光子もなくなるので
明るいとは感じなくなります。

人間の目に光子がぶつかるかどうか
が問題であるということをご考慮ください。
目を持った人間がいなければ,
さらに目に光子が当たらない限りは,
「明るい」というものは存在しないのです。

ここまでを踏まえたうえで
鏡の箱に話を戻します。

鏡の箱の中で,電磁波が有限の速度で跳ね返り続けているとして
とつぜん箱のふたを開けるとします。

箱の開いた部分から,電磁波がもれてゆき
人間の目にぶつかったら,その瞬間だけ
「明るい」と感じます。

このときいったい何が「明るい」のか?というと,
「その目の持ち主である人間からみて,
どの方向から光子が来たのか」
ということです。

視界の中で,ある一点が明るく光った
というのは,
その一点にある自分の視神経が光子を受けとった
ということだからです。

なので
箱を開けた瞬間に,その開いたスキマの部分に視線を向けていれば
その隙間の部分が一瞬,弱く光ったように見えるかもしれません。
真っ暗な部屋でかすかに一瞬見えるかどうか
という微弱なレベルです。
真っ暗な夜空で,遠くの星の瞬きを目が感じ取れるかどうか
というのと同じ程度です。

言うまでもなくこれは思考実験ですから
現実にこんな事を試したら,鏡の箱の中で
光線が何度も何度も跳ね返るうちに,
あっという間に光は壁に吸収されつくしてしまいます。

なので現実には
フタをあけても,光線が残っておらず
光は出てきません。



・・・というような回答を期待なさっていたのでしょうか。

id:language_and_engineering

補足・・・
こうして考えてみると,この問題には量子力学はとくに関係ない
と言えるかもしれません。

光は波であり,有限速度で直進して反射する
という前提知識だけで理解できますから。
光の粒子性が問題になるわけではなさそうですね。

(もちろん粒子として考えても正しい結論に到達できます。
飛び回る弾丸を,動いているまま箱の中に閉じ込めるようなイメージです。)

本件の要点は,
人間が明るさを認識するメカニズム
でしょうかね。

2015/08/11 17:25:10
  • id:Mad-Tanuki
    その光を眼で観測する場合、観測した瞬間に光は目に吸収されますので
    感覚的には一瞬だけ光が見えるか、もしくは(一瞬過ぎて知覚できずに)真っ暗にしか見えないか、ではないでしょうか・・・??
  • id:Mad-Tanuki
    その箱が鏡でできているのではなく、一辺が1光年もある超巨大部屋だとして
    部屋の端から1分間光を注入すれば、その反対側では一年後に、
    (光源が既に存在しないにもかかわらず)1分間だけ光が見えることになりますが・・・

    星の光は見えても、その星が今もまだあるかどうかはわからない とか、日常的な現象ですね
  • id:takejin
    箱の中はある程度明るい、という表現が問題です。
    よく考えてみましょう。
  • id:rsc96074
    光を閉じ込めてから1年後ぐらいに割るとピカッと光るかってことですか。(^_^;
    外から見て明るかったら光が洩れてて観測する時にエネルギーが消費されてるってことですよね。(^_^;
    「光 閉じ込め」でググってみるとなんかそれらしきものが…。(^_^;
  • id:SORAmamechan
    Mad-Tanukiさん
    やはり光子は消えずに残ってるということでしょうか。
    下は、相対性理論でそんな話ありましたね。
  • id:SORAmamechan
    たけじんさん
    確かにそこの部分は物理的表現になってませんね。
    時間が経ったとしても箱の中に光子が存在し続けるのかどうか、ということが疑問なんです。
  • id:SORAmamechan
    rscさん
    ググってみました。光に質量がないと言ってましたが、粒子として考えた場合も質量はないんでしょうか。光は微量だが運動量をもつとも聞いたことあるので、質量はあるものと考えてましたが・・
    100%の鏡が現実にありえないことも分かりますが、あくまで思考実験なので、、、(^_^;)
  • id:rsc96074
     こちらは参考になるでしょうか。ただの「質量」じゃなくて、「静止質量」だったような気がします。(^_^;
    http://b.high.hokudai.ac.jp/~konno/soutairon/r15/
    http://eman.hobby-site.com/cgi-bin/emanbbs/browse.cgi/140528001a35bf09

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