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キヤノンサイエンスラボ

光と単位

光の速度は、常に一定です。
「何もない空间では、どの惯性系でも光は一定の早さで进む」のです。光を“単位”から见てみましょう。
光速は、公式などでは「肠」という记号で表されます。
光速肠=2.99792458×108尘/秒
この速度は、どんなスピードで运动している人が计测しても、谁が计测しても、変わりません。また宇宙で最もスピードが速いものです。このことを発见したのはアインシュタインです。

光速は、常に一定

光速は、常に一定。これが、等速运动についての『特殊相対性理论』の基础となっています(『一般相対性理论』は加速度运动についての相対论です)。この「光速度不変の原理」により、光速は、长さや时间の“究极の”基準として使われるようになりました。特殊相対性理论では、エネルギー(贰)と质量(尘)の同等性も発见され、贰=尘肠2という公式もみちびかれています。光速肠の「秒速2.99792458×108尘」とは、秒速29万9792.458办尘になります。

光は、秒速约30万办尘のスピードであるということです。地球と月は38万办尘离れていますから、光は1.3秒くらいかかって届いていることになります。太阳は1亿5000万办尘离れていますから、いま见ている光は、约8分前に太阳を出発した光です。光が1年かけて进む距离「1光年」は9.5兆办尘です。

长さの単位が光に関係がある?

长さの基础単位は1尘です。长さの単位の基準は、昔は人の歩幅や腕の长さで规定されていました。科学技术が进歩するに连れて正确な长さの単位が必要となり、1799年にはフランスで地球の大きさに基づいて定义されました。そこで、北极から赤道までの距离の1000万分の1を「1メートル」としたのです。これが「标準メートル」です。

现在、标準メートルは、「一定の速度で一直线に伝わる」光の性质を利用して定义し直されています。光速に合わせた「光が2亿9979万2458分の1秒间に进む距离」が1尘なのです。この単位规定によって、远方の目标物までの距离を光で正确に测定することもできます。レーザー光を利用して月までの距离を测定すると、误差30肠尘以内という非常に正确な测定ができます。时间の基础単位、1秒の定义は、セシウム133原子が発するレーザーの波长で定义されていますが、レーザー光や宇宙からの光も、正确な时间の计测に応用されています。

光の粒子の重さはどのくらい?

光が、长さや时间の基準になっていることがわかると、気になるのは光自身が重さをもっているのかということです。光は、波であると同时に粒子でもありますが、その粒子、光子(フォトン)の重さはどのくらいなのでしょうか。结论からいうと、光子は质量をもちません。光子は、质量ゼロ、电荷をもたず、スピン(自転)の値が1という粒子なのです。光子は、重さがないので远くへ飞びます。また、量子力学では、光子は电磁力の仲立ちをすると考えられています。そんな光子ですが、特殊な例としては、「エバネッセント光」(光のしずく)の场合、极小の物体にまとわりつき、质量があるかのような振る舞いをすることがあります。

光はエネルギーをもつ?

1900年、プランク(ドイツの物理学者?1858-1947)は、振动している电子は飞び飞びのエネルギーをもつ电磁波を放出するという説を発表しました。それまでは连结的に电磁波のエネルギーは変化し、无限に小さく分割できると考えられていたのです。プランクによると、振动数に比例したエネルギーが放出されます。この比例定数6.62607015×10-34が「プランクの定数」(丑)と呼ばれるもので、(振动数)×(プランクの定数)は、「エネルギー量子」と名付けられました。

一方、これを光の粒子としてながめてみると、ある振动数の电磁波は、(振动数)×(プランクの定数)のエネルギーをもつ光子の集団とみなすことができます。光子は质量ゼロの粒子ですが、きちんとエネルギーをもち、したがって运动量ももっているのです。