電磁波と光子

質問

電磁波と光子

古典的な電磁気学を勉強してます。
基礎的な質問だと思うのですが、

マックスウェル方程式によれば、
rotE＝-∂B/∂t
divD＝ρ
rotH＝J+∂D/∂t
であるから
電界の波動方程式が求まって
そこからヘルムホルツの方程式が導けて
電場と磁場の関係から
x軸方向に電場が正弦波状に変化するとき
y軸方向に磁場も正弦波状の変化をするっていう
あのよく見かける電場と磁場が一緒に描かれてる図まではなんとなく理解して

電磁誘導→電場ができる
変位電流→磁場ができる

要するに「電場と磁場の相互作用が電磁波」みたいなまとめでわかった気になってたんですけど、

光は「光子」というボース粒子によって電磁力を伝えたりして、光子は質量ゼロ、電荷ゼロであって……

みたいな量子力学の解説書に、光子は電場や磁場との直接的な相互作用はほとんどないって書いてあって、
たしかに電荷ゼロなら影響ないだろうなって思うんですけど

光
＝空間の電場と磁場の変化によって形成される波（波動）である。
＝微視的には、電磁波は光子と呼ばれる量子力学的な粒子
(wiki)

みたいに書いてあって、

電場(静電場?)って重ね合わせの原理が成り立つから
電磁波が電場と磁場の相互作用なら、真空中とかで電磁波に電場とか加えるとなんとなく振幅が変わるような影響を簡単に受けそうな感じがするので、光子に電場や磁場との相互作用がほとんどないって記述がどうも引っかかって……

でも電磁波と電場および電場のかかっている物質との間に作用するいわゆる電気光学効果(ポッケレス効果とか)は非線形光学結晶などが必要と聞きかじり、電磁波の波長を変換したりするのって大変なんだなーって思うところまで勉強しました。

粒子性と波動性があるといろいろ複雑なのでしょうか……

粒子性で考えると影響なくて
波動性で考えると電気光学的な影響がある…みたいな

そもそも電磁波の波長とかってnmレベルですし、ただの波じゃなくて複素数の波動関数ですもんね。

あ、完全に影響なかったらそもそも非線形光学効果なんてないのだから、「ほとんど」影響ないってのはそういうことか…

量子論を修めろってことですね……
己が浅学さを反省して、そろそろ19世紀の考え方から20世紀の考え方に移行しようと思います。

回答No.2

ddtddtddt · ベストアンサー

そもそも電場も磁場も静電磁場ですから、言ってしまえば、その実体は光で出来ています。普通に言う電磁波は、動電磁場の事です。よって光（光子）が電場磁場の影響を受けないとは、光と光は相互作用しないと言ってるのと同等です。これは古典論（19世紀）の時代からそうです。

　ただ電磁場はもちろん、電場磁場の影響を受けます。この意味を具体的に考えてみると、電場や磁場の発生源は電荷や（電）磁石ですから、電磁場の発生源の状態が変われば、電磁場の状態も変わるよね？、って意味にとれます。

　光が電場磁場の影響を受けないとは、電荷と磁石の組AとBがあったとき、Aから発生した電磁場ΦaとBから発生した電磁場Φbが両方とも到達した地点の電磁場Φは、ΦaとΦbのたんなる足し算、Φ＝Φa＋Φbになりますよ、という意味のはずです。つまりΦaとΦbの相互作用項があって、Φ＝Φa＋Φb＋Φa×Φbみたいな結果にはならないよと。これは量子論に移っても同じです。

　　※非線形光学効果については知らないので、触れません(^^;)。

＞そもそも電磁波の波長とかってnmレベルですし、ただの波じゃなくて複素数の波動関数ですもんね。

　それは物理的に観測できない量子的な波動関数が複素関数でなければならないという事であって、物理的実体である電場と磁場は少なくとも古典論では必ず実の波動関数です。電場と磁場を複素関数で表すのは数学的便理手段ですから、結果を出すときには、虚数部を消去する境界条件なり制約なりを必ず付けるはずです。

　最後に。マックスウェルの電磁場方程式に「場の量子化（第2量子化）」という面倒な手続きを施すとマックスウェル方程式が、光子のシュレーディンガー方程式に化けるそうです。自分はもちろん出来ませんが(^^;)。

　けっきょく光子は、古典的電磁場に対する量子的拡張という事になると思います。

お礼

丁寧にお答えいただきありがとうございます！

光学は物理学の中でもトップクラスに重要な分野ですから奥が深いですね。
ニュートンの「光学」も有名ですし、アインシュタインのノーベル賞受賞もそういえば光量子仮説の功績でしたね。

幾何光学、波動光学、量子光学といろいろな光の捉え方があってとても面白いです。
最先端の技術では、すでに光子を一粒一粒射出できるほどコントロール可能と知り、現代物理って本当にすごいなって改めて思いました。

光子のシュレディンガー方程式ですか(´ω`)
マクスウェル方程式から導くのは想像できません。
エーレンフェストの定理みたいに
シュレディンガー方程式→古典力学における運動方程式
ならまだわかりますけど、その逆は大変そう( ；∀；)

参考にします。
ありがとうございました。

回答No.3

雪中庵（@psytex）

電磁波と光子の関係を理解するには、
エネルギーの最小単位である量子を
理解する必要があります。
波といっても無限分割はできず、最小単位
である量子として作用し、その量子＝光子
である、という（光量子）。

お礼

回答ありがとうございます。

波動は連続で粒子みたいに分割できないってイメージが強いですけど、エネルギーの最小単位が存在する以上光を構成する光子が存在するってのは納得です。

参考にします。
ありがとうございました。

回答No.1

tetsumyi

電磁波と光子 の違いは、電磁波が連続的なのに対し、光子はパルスの集まりであることです。
電磁波は連続的な測定で観測できますが、光には時間が無く原子に直接作用する現象としてしか観測できませんから光子として扱われます。
光が電磁的な波という表現そのものが間違いと言って良く、古典的な電磁波で説明することは無理です。
不連続な素粒子レベルの無極性パルスは相互作用できません。
もっとも私としては「電場と磁場の相互作用が電磁波」なんて嘘だと考えています。

お礼

参考になりました。ありがとうございます。