やさしい物理講座ｖ16「光粒子（素粒子：電磁波）と物質の相互作用」

今回は、今後の議論展開のために、実証されている光（素粒子：電磁波）の特性、性質、物質との相互作用を確認してみる。

　　　　　　　　　　　　　　　　2021.11.18

　　　　　　　　　　　　　　　　さいたま市桜区

　　　　　　　　　　　　　　　　理論物理研究者　田村　司

はじめに

最近、文献に「相対論効果」という修飾語が付く解説が多い。

以前から吾輩が主張しているとことの仮説に基ずく仮定式を相対論効果と修飾語で、満足いく解説ではなく、実証性に乏しい解説が多い。

観測、実験などの実証性を積み重ねた根拠から理論を構築したいものを期待する。

日常、我々が目にする現象

⑴、現象（物的）証拠（量子力学から見た分類）

　光は、素粒子と言われるが、本質は電磁波であり、電場・磁場には質量がない。量子力学上の素粒子の分類としては、ボソン（相互作用粒子）であり、フェルミオン（物質粒子）の電子、ミュー粒子などは質量をもつ。光子は物質粒子の間に働く力を伝える「ゲージ粒子」と呼ばれている。つまり、量子力学からみた光の質量は「ｍ＝０」となり　、光粒子を電磁波としては見た場合は電場、磁場の振動が伝播する「ゲージ粒子」ということになる。このように、光は素粒子と分類されるが、粒子が飛んでいくのではない。以前も解説したように、素粒子とは「場」の概念である。電場・磁場が作り出すものを素粒子と思った方が良い。実際は、空間を伝播するときは電場・磁場が作り出す変位の波であるが、吸収・放出されるときはエネルギーの粒子として振舞うのである。

⑵、光の媒体との屈折の関係（光の振動数は変わらず、速度が遅くなる）

　光が「ある媒質」から「別の媒質」に入射した場合に光の振動数は変わらず、どの媒質中でも同じ屈折率ǹの媒質中の中での波長はλ₀/ｎとなる。

よって屈折率ｎの媒質中の光速ｃは、真空中での光速をｃ₀とすると

　　　　　　　ｃ＝ⅽ₀/ｎ　

　　つまり、媒質中の光速＝真空中の光速÷屈折率

⑶、運動する媒質中の光速の変化

これは、吾輩の1995年の大学研究論文『運動する媒質中の光速度についての考察』で結論をだしたもの。

「物質（媒質）を通る光はその物質（媒質）の運動に影響される」の仮説を実証するための下記の実験・理論を採用して結論をだした。

①、フィーゾの実験（Fizeau's  interference  experiment ）

②、フレネルの随伴係数（Frenel's  dragging  coefficient. ）

③、マイケルソンとモーリの実験（1887年）静止エーテル論、弾性体エーテル論の実験

④、アインシュタインの『運動物体の電気力学』（特殊相対性理論）、『光量子仮説』（1905年）

⑤、マイケルソンとゲーリの実験『光の速度における地球の自転の影響』（1925年）媒質（空気）を抜いて真空に近い状態で実験（理論値と観測値ほぼ一致）。この実験では、媒体（空気）の影響は光に何らかの作用を及ぼすことが判明。そして、地球の自転（光源）は、真空中の光の速度に何ら影響を及ぼさないことが判明。

論文の結論

運動する媒質中ｖの光の速度ｃ₀は、運動する物質が光（電磁波）との誘導作用、分極、すなわち、媒質の比誘電率εrと関係し、一定の比率k（随伴係数）で計算される。

　　　ｋ＝１-１/εr－（λ/√εr）×（d√εr/dλ）　

　∴　　ⅽ₀＝ⅽ／√εr　±　kv　・・・　vとｃは直線上の運動の場合

vとｃの運動方向が、直線上になく、ある角度を持っている運動の場合は、kvのベクトルⅤとｃ/√εrのベクトルCで表される。

∴　　ｃ₀＝Ｃ＋Ｖ

この様に、マクロで考えたとき、地球上での空気を移動する光速は前述したように、空気濃度や空気の流れによっても微妙に測定値に変化をもたらすことを考慮に入れなければばらない。

　電磁波と個体又は液体との相互作用
　　

　マクロでの物質の運動については前述した通りである。

ミクロで考えた場合は物質は原子の集合である。原子をプラスの電荷をもつ核とそれを囲むマイナス電荷をもつ電子雲で構成されるものと考える。

電場が周期的に作用すると原子核と電子雲が釣り合いの位置から変化することによって誘電分極が生じ、それが周期的に振動する。

この作用によって電磁波のエネルギーが原子振動などの内部エネルギーに変換され、物質が電磁波を吸収する。

逆に内部エネルギーが電磁波のエネルギーに変換され物体が電磁波を放射する。

同様の電磁波と物質の相互作用はイオンや分子で構成される固体の格子振動や液体の分子運動でも発生する。

格子振動は、結晶中の原子（格子）の振動のこと。振動の駆動力は熱であるが、絶対零度においても、不確定性原理から原子（格子）は振動している（零点振動）。 格子振動は、熱伝導の原因の一つであり、比熱とも関係が深い。

　電磁波に対する物質の一般的性質
　　

電磁波の透過原因と吸収原因

電磁波の振動数が大きいとき、又は波長が短いときは物質の電子と原子核が電場の変化に応答しないために、電磁波は物体を透過して屈折率ｎ＝１、ｋ→０となる。Ｘ線やγ線が物体を透過するのはこのためである。

　原子は、束縛電子の遷移に起因する共振振動数近傍で電磁波の吸収が起こる。この波長は紫外線領域に相当する。さらに波長が長くなり束縛電子の共振振動数を外れると、物体は再び電磁波を透過するようになる。

ガラス や水などの物質ではこの領域の電磁波が可視光に相当する。

さらに波長が長くなると、電磁波は物体を構成する分子の格子の固有振動に当たる共振振動によって電磁波の吸収が起きる。

多くの物質では、赤外線がこの吸収領域に相当する。この領域の電磁波に対して物質は不透明である。

共振振動数近傍では、電磁波のエネルギーは物質の内部エネルギーに変換され急激に減衰する。共振振動数から離れた振動数の電磁波は、物質内で減衰されないので透過する。さらに波長が長くなり図１に示した電波の領域では物質は再び透過性を示す。

画像7

　図1.5（出典：円山重直『光エネルギー工学』養賢堂より）

電子レンジ（マイクロ波）で暖める理由・原因

水などの極性のある物質では、マイクロ波領域の電磁波に対してデバイ緩和による吸収領域がある。水などのように分子の電子分布が不均一な極性分子の液体では分子自体に分極が存在し、振動数の比較的小さい電磁波によって分子が回転する。この運動がまわりの液体分子と相互作用を及ぼし内部エネルギーに変換される（デバイ緩和）。デバイ緩和は水などの液体やあまり低温でない氷、極性分子を含む液体でも起こる。デバイ緩和はマイクロ波領域で起こることが多い。この領域の電磁波が作用すると物質内で電磁波が減衰し、液体は加熱される。

水を含む食品にマイクロ波を照射して加熱するのが電子レンジである。

極性分子でも非常に波長の長い電磁波に対しては吸収係数が再び減少する。この領域の極長波は水中を減衰せずに伝播するので潜水艦と航空機との通信にも使用されることがある。

　電磁波とガスとの相互作用

Ｎ₂や０₂などのように同一2原子で構成され、極性を持たないガスは、可視光より長い波長の電磁波を吸収しない。これらの分子の共振振動数は、一般に紫外域にあり、電子の軌道遷移の波長に相当する。

恒星の光が地球に到着して観測できたことは以上のような電磁波とガスとの相互作用はなく、光が透過するガスであると推定できる。

　蜃気楼現象の解説

逃げ水

真夏の日中、直射日光をうけて地面、特に熱容量の小さいコンクリートやアスファルトの面のあるいは砂漠の表面等、が熱せられと、地面に接する空気が高熱希薄になり、地面から離れるにつれて空気の温度が下がって大気密度が上がる。ところが大気の屈折率はμ＝１＋⊿ｎとして⊿ｎは小さくて密度にほぼ比例している（ゴールドストーン=デイルの法則）。そのため鉛直上向きに屈折率が大きくなっている。この屈折による結果、離れた位置いある目で見たときに、実際ある位置の物体があたかも地面の底の方に見える。とくに、物体がなければ、空が地面に映って見える。これは遠くから見ると地面に水があるように見えるが、近づいてもそれにつれて遠ざかるので、逃げ水とよばれる。蜃気楼の一種である。

　浮き船

海面上で、海面に接する空気が冷やされて屈折率が大きくなり、上空が暖かくて屈折率が小さい場合には、光線は上に凸に曲げられ、

そのため遠くの海上の物体が持ち上げられて見える。これを浮き船という。この現象は日本では富山湾の魚津で3月から5月にかけて時たま見られる。アルプスの冷たい雪解け水が富山湾に流れ込み、それが真水のため海水より比重が小さくて海面に分布して海面に接する空気を冷やし、他方、その上空の空気は太陽光によって暖められ、海面上の大気に温度勾配ができるためと考えられている。

　天体からの光の大気中での屈折

大気の屈折率と真空の屈折率の差はほぼ大気密度に比例している。鉛直線とある角度をなして大気層に入射した光線はわずかに湾曲して（弧を描いて）地表に到着する。天体からの光線の大気による屈折の角度を与え、大気差と呼ばれている。

　球対称な媒質中での光線の屈折

系が球対称（点対称）で屈折率が　

　　　　μ・（✕²＋Ｙ²＋Ｚ²）½＝μ（｜ベクトルｒ｜）

の形をしている場合を考える。

地球を取り巻く大気による光の屈折が近似的にこの条件を満たしていると考えられる。というのも大気密度は近似的には地球の中心からの距離とともに減少してゆきそれと伴って屈折率も１に近づいてゆく。方向（緯度や軽度）にはあまり依存しない。

光粒子（電磁波）と宇宙空間物質との相互作用

「重力レンズ」と称される現象は、宇宙に漂うガスが重力による濃淡によりレンズ作用の結果、屈折がレンズの画像を描いている現象と推測できる。

皆既日食観測時に起こった現象と相互作用

太陽の重力に引き寄せられているガスの濃度は中心から遠ざかるに従い重力が弱くなり、濃度が薄くなる、濃度の濃い方向に屈折する。

太陽の大気組成はほとんどが、表面が、水素70％ヘリウム28％　であり、　中心部分は、水素35％ヘリウム63％とされている。

光球面の上には大量のガスとプラズマがある。多くの場合、光球面という言葉は太陽の表面という意味。光球面は地球に必要な可視光を放出するが、そのほかに紫外線も放出している。太陽の中心に行くほど太陽を取り巻く気体（水素70％ヘリウム28％　）の密度が増す。密度は増すほど屈折率が大きくなる。当然太陽から離れると気体密度は減り、屈折率も小さくなる。

光（素粒子・電磁波）に太陽の重力が直接的に影響したのではなく、太陽の重力の影響による質量のある気体（水素70％ヘリウム28％　）の密度が増して、それが屈折率を増加させて、光は通常の物理現象の屈折で曲がったのであると推測される。「重力が光を曲げた」のではなく、「重力が質量のある気体の密度に変化を起こし、それが屈折率にという現象を起こし、屈折した」というのがリーズナブルであろう。

　　　太陽の中心部は光球面でその周りには水素70％ヘリウム28％　が存在する。恒星の光と太陽の光が交差しても恒星の光は光同士は影響を受けないことは以前解説済みである。

やさしい物理講座ｖ12「三日月が輝く晩に太陽からの光に邪魔されず、星の輝きが見える訳」

重力レンズと言われるものの正体

これは、前述したような地球上で観測、実験されて実証済みの事実の積み重ねで推論した仮説ではあるが、「重力レンズ」と言われる現象や、「皆既日食観測」に見られた現象は、重力が光を曲げたのではなく、光と物質の特性である「屈折」が作り出した宇宙の大規模な天体の「屈折」現象であると推論する。

これは　銀河系の水素ガス分布が重力作用でガス濃度を作り出し、結果、屈折率の違いから創りだした芸術である。重力が光を曲げたのではない。

（出典：ニュートン2007.6『天文学１１の革命』　p42~43　）

　　「銀河団の巨大な重力場によるとされる湾曲した渦巻き銀河の図」は銀河に存在する水素70％ヘリウム28％が重力により濃度差を作り、強いては屈折率を生み出し、宇宙に広大な芸術作品を創りだしたものである。

（出典：ニュートン別冊『宇宙150億光年の旅』2000.4.10　発行）p38）

重力は空間を歪めるという弁明は根拠喪失

重力は空間を曲げるから直進する光も曲がるとの主張もされましたが、前述したように、重力により曲がることもなく本来は直進すべきものが、屈折により曲がるのであるから、重力により空間が曲がることの根拠も喪失したものとなる。

著作権の主張

　今までの書籍には「私の結論」と同様な記載内容の該当がない。
独自の反論と根拠の提示した論文と自負しています。
それ故、本文の無断転載、複写、流用に関しては、著作権を主張します。
なお、学術論文等の引用に関しては、出典、著者を明記の上、活用可とします。

To be continued .　　See you later ！

参考文献

https://note.com/tsukasa0415/n/nadf21b877d75

https://japanknowledge.com/contents/common/soryushi.html

素粒子表

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伊藤幸夫・寒川陽美著『単位の基本と仕組み　国際単位系（SI)』秀和システム　2004.8.10　第一版1刷　p62～、p104

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https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%85%89%E5%AD%90

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・松浦壮著　『時間とは何だろう』　㈱講談社　2017.12.5第三刷発行
　ｐ94～96文章抜粋
　絶対時間から相対時間へ
「さて新しい原理を持ち込んで理論を構築するのはもちろん自由ですが、それが正しいかは別問題です。アインシュタインが導入した原理は本当に正しいでしょうか？こういう場面で登場するのが実験の精神です。新しい原理が導入されたことで予言される現象が現実に起きるかどうかが判定材料になります。
・・・時間とは時計で測定するものとして「光時計」を考える。・・・思考実験

・原康夫著　『量子力学』　岩波書店　1994.6.6　第一刷発行　p3（光の二重性）、
ｐ４文章抜粋「このように光は波動性と粒子性の両方の性質を示す。とりあえず光の二重性を『光は空間を波として伝わり、物質によって放出・吸収されたとき粒子として振舞う。』
ｐ5文章抜粋『１９０５年にアインシュタインは振動数νの光（一般に電磁波）はエネルギーＥ＝ｈνを持つ粒子（光子）の流れだと光電効果を説明した。』

・チャールズ・H・ホランド著　手嶋英志訳　『時間とは何か』　青土社　2002.12．20　第1刷発行　p188

・平野功著　『原子・光・磁気の解析』　技報堂出版　2004..3.30　第1版1刷

・円山重直著　『光エネルギー工学』　養賢堂　2004.4.30　
p6文章引用「光とは狭義には可視光を意味するが、一般的には電磁波又は光子「フォトン」と同義である。物質中の電荷が変動することによって電磁波が発生し空間を伝播する。
p62、電磁波の伝播、マックスウェルの方程式

・後藤憲一、小野廣明、小島彬、土井勝　著　『基礎物理学　第二版』　共立出版　2004.4.15　第二版1刷
p159　　　Ⅰ　特殊相対性原理
　　「すべての慣性系は同資格でどのような物理法則もすべての慣性系と同じ形である。」
　　　　　Ⅱ速度不変の原理
　　「真空中を光が伝わる速さは光源の動く速さや方向に無関係に、どのような慣性系から見ても同じ値（ｃ）である。」

・山田克哉著　『光と電気のからくり』　講談社　2003.6.27　　ｐ１３９、ｐ１４８

・福田京平著　『光学機器が一番わかる』　技術評論社　2010.5.5　初版1刷発行

・石川健三著　『場の量子力学』　培風館　2006.7.20　初版発行

・佐藤勝彦著　『量子論』　ナツメ社　1999.2.10　発行

・山崎昇　監訳　『見える数学の世界』　大竹出版　2000.12.11　第一版発行
p295　ピタゴラスの定理

・岡部恒治、有田八州穂、今野和浩著　『文科系学生のための数学教室』　有斐閣アルマ　　p34　三平方の定理（ピタゴラスの定理）

・吉田伸夫著　『素粒子論はなぜわかりにくいのか。場の考えを理解する』　技術評論社　2014.1.10　初版第1刷発行
要約（　p10～31から引用）
１、素粒子（含む光子）は粒子ではなく「場」の概念を適用する。。
２、「場」の概念を適用とは
「場」とはいたるところに存在し、あらゆる物理現象の担い手となるものである。
空間と一体化し、空間に対して移動できないことが「場」の特徴である。
時間とともに変化する物理現象では原子のような実体が空っぽの空間の中を動き回るのではなく、「場」の値が変化することで動きをもたらしている。

・山崎正之、若木守明、陳軍　共著　『波動光学入門』　実数出版　2004.4.20　第1刷発行

・『キップソン博士が語る時空旅行
相対性理論とタイムトラベル』　ニュートンプレス　2012.6.15　発行

・『アインシュタイン　物理学を変えた発想』　ニュートンプレス　　2009.3.10　発行
p30、止まっている光時計
p45、運動している光時計　

・『時間の謎』　ニュートンプレス　2018．　8月号

・平井正則監修　三品隆司編者
『アインシュタインの世界　天才物理学者に関する６０の疑問』　ＰＨＰ研究所　1996.10.22　第一版7刷発行　　
　ｐ61～62　特殊相対性理論
　ｐ62～63　絶対時間と相対時間　「時間」と「空間」

・桑原守二・三木茂監修『図解雑学　電気・電子のしくみ』　ナツメ社　1997.7.20
ｐ162さまざまな電磁波　ｐ165マックスウェルの方程式

・小暮陽三著　『物理のしくみ』　日本実業出版社　1994.10.15　第８刷発行
ｐ38光の粒子説と波動説、ｐ42光と電磁波、ｐ125エーテルと光速度の測定
ｐ126同時刻とは　ｐ128時間の遅れ

・小沼通二著　『現代物理学』　放送大学　1997.3.20　改訂版第1刷　ｐ28相対性理論

・阿部龍蔵・川村清著『量子力学』　放送大学　1997.3.20　改訂版第1刷　ｐ18波と粒子の2重性

・藤井保憲著　『相対論』放送大学　1995.3.20　第１刷　ｐ27　時間のおくれ

・阿部龍蔵著　『光と電磁場』　放送大学　1992.3.20　第1刷　ｐ36　光の放出と吸収

・田村　司著　『運動する媒質中の光速度についての考察』放送大学卒業研究論文

https://note.com/tsukasa0415/n/n4cde602b3c7b

・窪田登司・早坂秀雄・後藤学・馬場駿羣・森野正春・・竹内薫・日高守・石井均
『アインシュタイン理性を捨てさせた魔力「相対論」はやはり間違っていた』
徳間書店　　1995.5.10　第２刷
後藤学「相対性理論のどこがおかしいか」ｐ234　文章抜粋「結論的には、特殊相対性理論にはそのベースになっている仮説に疑問があることを指摘しています。その疑問は相対論の全体を完全に破壊させかなない類のものです。」