光には本当に質量がないか。

科学者は、光は質量がゼロである、と主張します。

光の速度は、真空中で299,792,458m/s、大雑把にいうと30万キロメートル毎秒です。

そして、基本的に光速度はどこでも同じとされます。

真空中という、但し書きはつきますけどね。

　つまり、光は常に等速度であって、加速も減速もしていない。

アインシュタインは、重力と加速度は区別できないと、指摘したでしょ。

　じゃあ、光は無重力の中を進んでいるのと、同じってこと。

そうなるでしょうね。

　無重力下では、秤に載せる形はできても、実際は並べたのと同じなのでその方法では重さを量れない。

そうなるでしょうね。

そこで、無重力下で重さをはかるには、加速度を与えるしか方法がないのです。

加速度と加える力を揃えれば、比較できる数値が得られます。

地上で重さを比較できるのは、地上ではほとんどどこでも同じ大きさの加速度として重力が振る舞うからです。

質量に加速度を加えれば、動きやすさ、あるいは、動きにくさ、という形で質量は調べられます。

　止めやすさ、止めにくさ、という形でも、質量は調べられるよね。

質量の大きさは、重量の値という形で測定できるわけです。

　秤による重量の測定は、重力による加速を止めるのにどれだけの大きさの力が必要かを調べているわけよね。

そうなるでしょうね。

光電効果は、光の質量測定を電子の動かしやすさとして行っていると見ることができるわけです。

　光の波長が短いほど、電子は動きやすい。

　波長の短さがある限界を超えると、電子は飛ばされてしまう。

　光電効果は、電子が光の質量による衝撃を受け止めきれずに飛び出す現象を利用して、光のエネルギーを電気に変えている。

そう見るのは、自然でしょ。

光には、圧力があります。

光、つまり、電磁放射を受ける物体の表面に働く圧力は、放射圧(radiationpressure)と呼ばれます。

輻射圧や光圧とも呼ばれます。

放射圧の大きさは、放射が物体に吸収される場合には入射するエネルギー流束密度を光速で割った値となります。

　エネルギー流束密度とは、単位時間に単位面積を通過するエネルギーでしたね。

放射が完全反射される場合には、エネルギー流束密度は2倍の値になります。

例えば、地球の位置での太陽光のエネルギー流束密度は1,370W/m2なので、その放射圧は太陽光が吸収される場合には4.6μPa(マイクロパスカル)となります。

Pa(パスカル)は国際単位系(SI)の圧力や応力の単位で、その名前は、圧力に関する「パスカルの原理」に名を残すブレーズ・パスカルに因みます。

μPa(マイクロパスカル)は、圧力や応力の単位Paの1000分の1の大きさという事です。

1871年にジェームズ・クラーク・マクスウェルによって、物体の表面に電磁波が当たると入射面に圧力が働くという事実は、理論的に導かれたのです。

1900年のピョートル・ニコラエヴィッチ・レベデフに次いで、1901年にはエルンスト・フォックス・ニコルスとゴードン・フェリー・ハルによって実験的に証明されたのです。

放射圧は非常に弱いが、反射性の金属でできた羽根を微妙な釣り合いの状態に置いて放射を当てると検出することができるです。

この原理を利用するのが、ニコルス放射計です。

　ニコルス放射計は、夏目漱石の『三四郎』に登場する光の放射圧を測定する実験装置よね。

放射圧は、波長が短いほど大きくなります。

これを、放射圧は放射のエネルギー密度と同じ次元を持つというです。

　ここでいうエネルギー密度とは、単位時間に単位面積を通過するエネルギーという意味で、エネルギー流束密度という事かしら。

そう見て良いでしょうね。

波長は短いほど、エネルギー流束密度は大きくなると言って良いですね。

　放射や輻射を語る場合、黒体というのをよく聞きますね。

完全放射体とも呼ばれる黒体(blackbody)とは、外部から入射する光、つまり電磁波による熱放射などを、あらゆる波長に渡って完全に吸収し、また放出できる物体のことです。

完全な意味での黒体である完全黒体は、現実には存在しないとされます。

でも、ブラックホールなど近似的にそうみなせる物質、物体はあります。

現在、工業的に作り出された最も黒体に近い物質は、紫外線(UV-C)から可視光線、遠赤外線(F-IR)までの広い波長域で99%の光、つまり電磁波を吸収するカーボンナノチューブ黒体です。

カーボンナノチューブ黒体が吸収できる範囲は、波長でいうと、200nm(ナノメートル)から200µm(マイクロメートル)の間になります。

nm(ナノメートル)は1億分の1メートル、µm(マイクロメートル)は1000ナノメートルです。

　1000ナノメートルは、いいかえると0.001ミリメートル、確かに幅広いですよね。

　これでも、完全な意味での黒体ではない…。

物体が黒体放射にさらされていて放射と物体表面が熱平衡状態にある場合、その放射のエネルギー密度はシュテファン＝ボルツマンの法則より、σT4/3cに等しくなります。

この式の、σ(シグマ)はシュテファン＝ボルツマン定数、cは光速、Tは空間の絶対温度です。

シュテファン＝ボルツマン定数は比例定数なので、絶対温度の4倍に比例するよと言っているくらいに思ってください。

エネルギー密度の1/3は、国際単位系では6.305×10－17T4J/(m3K4)となります。

一様・等方な放射で満たされた空間の中に置かれた物体の表面に働く放射圧の大きさは、その空間の単位体積当たりの全放射エネルギーの1/3に等しくなります。

これは電磁気学・量子力学・熱力学のどの場合でも、放射自身の性質に関係なく示すことができます。

これが、圧力の単位であるパスカルで表した黒体放射の放射圧の大きさとなります。

太陽系内の惑星間空間では、放射のエネルギー流束の圧倒的大部分は太陽に由来します。

このように放射が一方向からのみ当たる場合、放射圧の大きさは等方放射の場合の3倍。

　3倍、縦横高さの3次元ということかしら。

そう見て良いでしょうね。

放射圧の大きさは放射が一方向からのみ当たる場合、σT4/cとなります。

これに加えて物体が放射を完全反射する場合にはさらに2倍。

すなわち、2σT4/cとなります。

例として、温度が沸点が絶対温度Tで373.15Kの水が放射する黒体放射の放射圧は約3μPaです。

　放射圧と言えば、ソーラーセイルが計画されているね。

宇宙機の推進機構の一種として提案されているソーラーセイルは、太陽からの放射圧を動力として用います。

2005年に惑星協会によって打ち上げられたコスモス1は、ソーラーセイルを搭載していたのです。

打ち上げは失敗に終わっています。

2010年にJAXAで打ち上げたIKAROSは、世界初のソーラーセイル実証機となったのです。

惑星間空間内のある場所での放射温度が沸騰する水の温度に等しい場合、その場所を飛ぶソーラーセイルに働く放射圧は約22μPaに過ぎないです。

しかしこのように微小な圧力であっても、気体イオンや電子などの粒子にとっては十分大きい訳です。

気体イオンや電子などの粒子に影響を与えるには十分な大きさなので、放射圧は太陽風に含まれる電子流や彗星物質の理論などで重要な役割を占めています。

恒星内部は、非常に温度が高いと見られています。

現在の恒星モデルによると、太陽の中心温度は約1,500万Kで、超巨星の中心核では約10億Kを超えるとされています。

放射圧の強さは温度の4乗に比例して増加するため、このような高温の環境では放射圧は非常に重要です。

太陽では放射圧は気体の圧力に比べてまだかなり小さいが、大質量星では放射圧が星の圧力の大部分を担っています。

止めやすさ、あるいは、止めにくさ、という形でも、等速直線運動であれば質量の大きさは調べられるはずですね。

　加速度と重力は、区別できないからですよね。

重力は、大きさに無関係に等加速度です。

　そして、電磁波と重力波が同じ形式の式でしたね。

ならば、重力も波長に無関係に等速度と言って良いはずでしょ。

　そういえば、電磁波は波長に無関係に等速度ですよね。

光は、波長によってエネルギー流束密度が変わるのですよね。

だったら、重力もこういえるはずです。

重力は、波長によってエネルギー流束密度が変わる。

質量が小さければ受け止められるが、質量が大きければ受け止めきれずに飛ばされる。

波長が長ければ受け止められるが、波長が短ければ受け止めきれずに飛ばされる。

つまり、こういう関係が見えるのでしょ。

波長が長い＝質量が小さい。

波長が短い＝質量が大きい。

ここから導かれる答えは、光、すなわち電磁波は波長の大きさで質量が変化するということではないですか。

E＝mC²

この式はこう変更できます。

m＝E/C²

この式は、光のエネルギーでエネルギー量を割ると質量が得られるという意味です。

しかし、こうも言えるのです。

E/C²=m

エネルギーは大きさに見合った質量をもつ。

そして、実際に電磁波では波長の大小は質量の大小として振る舞ったのです。

プラズマは、宇宙に存在する全物質の９９．９９９９９９９９９９・・・％を占めています。

宇宙全体を、暗黒エネルギー(ダークエネルギー)を約70%、暗黒物質(ダークマター)を含めた物質を約30%、にした場合にうまくいくとされています。

だったら、暗黒エネルギーをプラズマのエネルギーと置き換えたらどうでしょ。

暗黒物質(ダークマター)を含めた物質は、プラズマの波長のエネルギーの質量を含めた物質量と見ても良いと、なるのでしょ。

　なるほど、プラズマ宇宙論はダークマターもダークエネルギーも想定しないわけですからね。

でしょ。

追記

光の質量については、この記事でも考察しています。

マイケルソン＝モーリーの実験を、見直してみると？