アトムの物理ノート

光は光にぶつかるか、この単純な疑問はなかなか奥が深いようである。そもそも光は何かにぶつかり何かにはぶつからないというような器用な事をしているのだろうか？もっと基本的に光って何？とかそういった疑問もあるだろう。色んな質問に一度に答えるのは大変である。大体光って何かってことを説明しようとしたら電磁気学の本を丸ごと一冊写さなければならない。今回はタイトルにあるように「光は光りにぶつかるか？」に答える。その他の疑問にはまたそのうち答えることにしよう。


結果を端的に言うと光は光りに直接ぶつかることはないが、間接的にはぶつかると言っても良い。まあ光と光の衝突なんてそうそう起こることではないが理論的にはありえる。

さて直接的にぶつからないというのは、光は電気を持ったものにしか反応しないためである。光は電子によって吸収放出されるが、これは電子が電荷を持っているからである。光自身は電荷を持っていないために二つの光（光子）がお互いに反応しあうことはない。よって直接の相互作用はない。しかし間接的な相互作用は存在する。それは下の図を見て欲しい。




先ずこの問題は量子力学と特殊相対性理論の歴史に非常に密接に関わっている。というのも我々が真空だと思っているものはディラックによれば電子と陽電子が詰まった空間なのである（ディラックの海）。あまりにもギュウギュウに電子と陽電子が詰まっているために電荷は+e+(-e)=0となって認識されない。この空間を光、所謂γ線が飛ぶわけだが、この時にディラックの海にある電子と陽電子にぶつかり、ぶつかられた方の電子と陽電子は真空から飛び出してしまう（A点）。この時、真空から飛び出した陽電子は周りに飛び交う光を吸収することがある（B点）。その後再度γ線を放出して（C点）、たまたまそばにいた電子にぶつかり粒子反粒子消滅をする（D点）。この際あまったエネルギーをγ線として放出する。この過程はディラックの海のミクロなスケールで起こるため通常はなかなか観測される事はない。また一連のプロセス（A→B→C→D）があまりにもミクロで短時間なために我々からみればこれは光と光がぶつかったように見えるわけである。図に描かれたディラックの海サイズは量子力学が有効になるナノ・メートル以下である。


ここで力尽きて終わり。