昼間にライトをバッグに入れていたのですが、夜に開けたら消えてしまったのはなぜでしょうか？どこに行ったの？

これは過去に議論されてきた常識的な質問ですが、多くの人がまだ理解していません。実際、どんな容器を使っても光を閉じ込めることはできないことは多くの人が知っています。しかし、この質問の本質は、「なぜ光は封じ込められないのか？」ということです。

理論上、光は水のように蓄えることができます。

水の入った容器が漏れないようにできれば、その水は永久に保存することができます。まるで誰かがワインを地下室に隠したかのようだ。 50年経った今でも、ワインのボトルはそのまま残っており、ますますまろやかになっています。

しかし、ワインは完全に水ではなく、水とエタノールの混合物です。エタノールは水よりもはるかに速く蒸発・昇華するため、容器をよりしっかりと密閉する必要があります。しかし、長期間保存すると、どんなに密封された瓶でもアルコールはいくらか失われます。

理論的には、光子が漏れない容器があれば、そのような容器に光を永久に保存することができます。しかし、光は水やアルコールのようなものではありません。小さくて軽くて、すぐに逃げてしまいます。水を入れられる容器を見つけるのと同じくらい、光を入れられる容器を見つけるのは簡単ではありません。

では、私たちの世界には、光を漏らさずに光を保持できる容器はあるのでしょうか?辛抱強く見守れば分かるでしょう。

光の基本特性

光は私たちの日常生活において目があらゆるものを見るための媒体であり、物理学の用語でもあります。光がなければ、私たちの目は役に立たず、私たちは盲目になるでしょう。光の本質は、特定の周波数帯域における光子の流れです。光源が光を発する理由は、その電子が余分なエネルギーを得て、波の形でエネルギーを放出するためです。

光は波と粒子の二重の性質を持ち、つまり粒子、つまり光量子であり、統計的な意味では波のように動き、つまり多数の光子の動きが波の状態を呈します。光には静止質量がなく、静止質量はゼロですが、エネルギー、運動量、動的質量はあります。アインシュタインの質量エネルギー方程式によれば、光子の運動質量を計算することができます。

質量エネルギー方程式を使用して光子の運動質量を導出できます: E=mc^2=hv;したがって、光子の運動質量は m=(hv)/c^2 です。ここで、m は光子の質量の上限、h はプランク定数 (h≈6.626*10^-34J·s または 4.136*10^-15 eV·s)、v は電磁波の周波数、c は光速です。つまり、光子の周波数が高くなるほど、その質量は大きくなります。

光子は一度生まれると止まることなく、毎秒約30万キロメートル（真空中の光の速度）の速度で動き続けます。光子の体積については明確な結論はないが、既知の世界で最も小さいと考えられており、プランクスケール（1.6*10^-35m）よりも大きい。光子は 4 つの基本的な力のうち電磁相互作用力の媒体であり、電磁力は伝播するために光子に依存していることを意味します。

光子は電磁力に関与するあらゆる物質と相互作用することができます。さまざまな物質と相互作用した後の吸収、反射、屈折、回折を通じて、さまざまな物体とその色を発見することができます。現在影響を及ぼさない唯一のものは暗黒物質なので、人々はまだ暗黒物質がどのようなものか分かっていません。

光は実際には電磁波であり、電波（長波、中波、短波、マイクロ波）、赤外線、可視光線、紫外線、X 線、ガンマ線などが含まれます。これらはすべて伝播媒体として光子に依存しているため、異なる帯域と周波数での光の現れです。今日お話しする光は主に可視光、つまり肉眼で見える光を指し、その波長はおよそ380nmから780nmの間です。

光を保持できる「瓶」は何ですか?

光と光子の特性に基づいて、物質を「横領」することなく光を封じ込めるためには、電荷がないこと、光子が吸収されないこと、そして極めて密閉されていることなどの特性が必要であると推測できます。これらの点を達成するには、容器は私たちが知らない材料で作られ、この材料の光反射率は 100% に達し、気密性は光子 1 つも漏れないようにする必要があります。

この物質は私たちの世界には存在しません。私たちが知っている物質はすべて原子で構成されており、原子は正に帯電した陽子と負に帯電した電子で構成されているため、光子はこれらの物質と相互作用することができ、「腐敗」という現象は避けられません。

簡単に言うと、このコンテナに必要なことは 2 つだけです。1 つは完全に反射するマテリアルを見つけるか作成することです。もう1つは、この材料を使用して隙間のない容器を作ることです。残念ながら、この 2 つのポイントは達成できません。

バッグの中にライトを入れられると考えている友人は、問題を単純化しすぎています。どんなバッグを使っていますか？牛革のバッグか小麦粉の袋か？それとも反射ビニール袋でしょうか?このタイプのバッグが光に接触すると、光子がバッグを構成する荷電粒子と相互作用し、エネルギーに変換されます。そのため、バッグが太陽にさらされると熱くなります。

いくつかの高反射材料

理論的には、光や放射線を 100% 吸収または反射できる物質は存在しません。つまり、ブラックホールを除くいかなる物体もすべての光を「横領」することは不可能です。宇宙では、ブラックホールを除いて、すべての天体は光を反射しており、その光源は星です。地球の反射率は約 35%、月の反射率は約 58%、金星、火星、木星はいずれも非常に強い反射率を持っています。そのため、明るい月の光は何千マイルも離れたところからでも見ることができ、光を発していない惑星も見ることができます。

反射は拡散反射と鏡面反射に分けられます。いわゆる拡散反射とは、物体の表面が不規則で凹凸がありざらざらしているため、そこに当たった光の反射方向が分散されることを意味します。そのため、ある角度から見た光は鏡面反射ほど明るくはありませんが、同じ材質の拡散反射と鏡面反射の全反射率は同じです。

人間の目は主に拡散反射を利用して物体を区別します。異なる拡散反射により、異なるオブジェクトが元の形で表示されます。完全に鏡面反射だと、物体の見た目を判別することが難しくなります。反射率が高いほど、吸収される光が少なくなり、光をより長く保持できます。

一般的な金属の中で、銀は反射率が最も高く、光の波長に応じて 98 ～ 99% に達します。次いで銅が60～98%に達する。次に金は47～98%に達します。そしてアルミニウムは86〜92％に達することがあります。その中で、銀とアルミニウムは可視光線の全帯域を最も均一に反射するため、鏡のコーティングには一般的に銀またはアルミニウムが使用されます。

家庭でよく使われる鏡は、反射材としてアルミニウムが使われているのが一般的です。ガラスの加工技術とアルミニウムの純度は完璧ではなく、ガラスの透過率は約90％であるため、日常の鏡の反射面はガラスの裏側にあります。このようにして、ガラスを通過するときに 20% の光が失われます。全部反射したとしても80%しか残りません。

したがって、一般的に使用されるミラーの反射率は 75% ～ 85% の範囲に限られます。一方、望遠鏡やハイテク産業で使用される鏡は、銀を反射材として使用し、ガラスを透過せず、加工技術の精度が高いため、反射能力は95％以上に達し、トップクラスの科学研究機器の反射能力は98％以上に達します。

世界最高の反射率を誇る鏡

カリフォルニア大学バークレー校の科学者チームが、反射面として銀を使わないナノミラーを開発したと報じられている。代わりに、厚さわずか 0.23μm、反射率が最大 99.9% のハイテクナノ素材を使用しています。

マサチューセッツ工科大学の科学者チームもネイチャー誌に論文を発表し、反射率がほぼ100％の「完璧な鏡」を開発したと主張している。従来、主流の太陽光発電用ミラーの反射率は94％程度でした。この「完璧な鏡」を使えば、発電能力を大幅に高めることができます。

しかし、このミラーは 100% の反射率にどれだけ近いのでしょうか?バークレーチームによる 99.9% の反射率の報告はまだ出ていないため、この指標にはまだ達していない可能性があります。問題は、たとえ反射率の高い鏡があったとしても、どうやって隙間のない容器を作り、そこに光を取り込めるかということです。

つまり、完璧な容器を作ったとしても、どうやって光を取り込むのでしょうか?どうすれば観察できるでしょうか?内部の光子を観察できるということは、光子が目に入って損失が生じ、容器が「漏れている」ことを意味します。

最大反射率の隙間のない容器が光で満たされていると仮定する

100% 反射率の素材を使用して、隙間のない完全に密閉された容器 (ポケットではないことに注意) を作成し、そこに光線を損失なく注入すると仮定します。内部の光がどのように衝突しても、吸収されたり逃げたりすることはできません。このようにして、容器内の光をそこに蓄えることができます。

しかし、これはただの美しい願いです。世の中にそんな完璧なものは存在しない。もしこの装置を思いつく達人がいたら、たとえそれが思考実験であっても、ノーベル賞を受賞すると思います。

友人たちの想像力を満足させるために、光線を損失なく保持できるシームレスな容器があり、容器の内壁の反射率が 99.99% に達すると仮定してみましょう。この光線が容器内にどれくらい長く留まるか計算してみましょう。

この容器の内径が 1 メートルであると仮定すると、太陽光を 1 秒間保持することになります。地球に垂直に当たる太陽の放射エネルギーはσ=1.4×10^3 J/(s·m^2)、可視光の占めるエネルギーはη=45%、可視光の波長は約380nm～780nmであることが知られています。単一光子のエネルギー = hc/λ (λ は波長) によれば、可視光子のエネルギーは 2.55*10^-19 ～ 5.23*10^-19 J であると結論付けることができます。

妥協して、平均エネルギー 3.89*10^-19J に基づいて計算してみましょう。垂直の太陽光に 1 秒間さらされる 1 平方メートルあたり、約 1.6*10^21 個の可視光子が存在します。容器の 6 つの側面が同じ量の直接光子を受け取ったとしても、合計数は約 9.7*10^21 になります。

これら 97 兆個の光子はどれくらい保存できるのでしょうか?

光の速度は秒速30万キロメートルです。屈折を無視して垂直に反射すると、1メートルの距離にある内壁で毎秒3億回反射することになります。毎回の損失が 0.01% であるという計算に基づくと、5000 回の反射後には、コンテナ内に残る光子は 1.5 個未満になります。 5100 回の反射の後、理論的には光子は半分しか残りません。しかし、光子が半分の光子を持つことは不可能なので、実際には光子は存在しません。

5000回の反射にはどれくらいの時間がかかりますか?それは1/60,000秒です。つまり、たとえ反射率 99.99% の完全に密閉された球体に 97 兆個の光子を投入したとしても、6 万分の 1 秒後には、これらの光子は 1 つも残らないことになります。 1/60000秒という概念とは何ですか?人間の目では区別できません。

さらに、昼間に四方から光が漏れる袋を使って光を保ち、数時間後に袋を開けて、まだ内部で光が波打っているのを見たい場合、この状況は夢の中でのみ可能です。

しかし、今日の太陽電池は日中に太陽エネルギーを蓄え、それを電気エネルギーに変換し、夜間に光を発します。この「光を捕らえる」方法は、光を保持するための容器を使用するよりもはるかに簡単です。読んでいただきありがとうございます。ぜひ議論に参加してください。

Space-Time Communicationの著作権はオリジナルです。侵害や盗作は非倫理的な行為です。ご理解とご協力をお願いいたします。