光子の裁判

リーダの長田です。

宇宙物理学教室には、クラシック音楽愛好家だった方のご遺族から膨大なCDが寄贈されて談話室に素晴らしいコレクションができています。

バッハ以前の音楽からバルトークやショスタコーヴィッチまで、極めて標準的というかまんべんなく趣味の良い曲揃えのCDがたくさん並んでいます。だからこれをすべて聞けば宇宙物理のメンバーは西欧のクラシック音楽を征服したことになる！、というようなものに思えます。

ところが。私もやったらめったらクラシックのCDを安く安く買いあさり、集めていました、今ではwavファイルなんぞになりつつありますが。そしてやはり標準的な曲をそろえているつもりになっていました。なのに、宇宙物理学教室の談話室のCDリストとはちっとも重ならないのです。ことごとく違っています。双方のCDリストともにドイツ古典派が分厚いなど、良く似通っているのに、ほとんど共通のものがないのです。しかも好みが違うわけではありません。私の主観で言って、上記の宇物CDは趣味が良いなあと思うのです。

例えば、上にドイツ古典派とは書きましたが、私がやたらとハイドンの曲を集めたのに、宇物CDにはハイドンがほとんどありません。調べてみて気づいたのですが私が病的とも思えるほどベートーヴェンの交響曲のCDを持っているのに対し、宇物CDにはありません。いや、全くないというわけではなくて、なんとリストがピアノ曲に編曲したものだけは全集としてそろっているのです。

さて、いま、天文観測の解説記事を計測の学会誌に書いていて、そこで私は偏光を担当することになりました。宇宙からやって来る電磁波の情報を研究するのが商売なのだから光についてはしっかりと知っていないといけないはずですが、あらためて光について調べるといろいろと感心することばかりです。

感心することの筆頭には、何と言ってもアインシュタインのノーベル賞受賞理由だった光電効果や光量子仮説、つまり、光は電磁波という波であると同時に光子という粒子でもある、ということをあげたいと思います。これを題材に、東野圭吾の湯川学ならぬ、朝永振一郎が短い名作を書いています。「私は二つの窓の両方を同時に通りました」という波乃光子被告の供述は真なのかという法廷劇「光子の裁判」です。量子力学の代弁者である弁護人が、光子は二つの窓を同時に通ったのだと実証したところで著者は・・・（いくら名作でもネタバレは良くないですね）。

しかし光がすごい点は、私にはもう1つあるように思えるのです。電子がスピンを持っていて、だとか、この2つの量子力学的状態は直交しているのでどうだらこうだら、などど講義で話しながら、私はどうもしっくり来ていませんでした。

人間が日常感覚として量子力学を体得するなんてできないのではないか、いつまでももやもやが残るのではないか、と思っていました。だけど、そのもやもやは、偏光という性質をよく考えることで、かなり日常感覚で納得できるのでは、と思い始めたのです。

光は2つの独立した成分を持ったものが重なっている、というわけです。きっとこれが高等学校でも偏光という概念をしっかり教える理由なんだろうと私には思えます。光は電磁場の波であり、それは横波なので2成分を持っているのだ、というのは高校生にもわかりやすいですよね、縦と横に振動しながらやって来る波。ただ、実はここからがちょっと難しくて、普通に私たちが見る光はそういう2成分の電磁場の振幅を足し合わせたものではないのです。スペクトル線などというほとんど単色の光の場合でも、数「ナノ秒（十億分の一秒）」というぐらいの時間しか振動が続かず（註1）、光を足し合わせてもうまく電磁場の振幅を足し合わせることにならないのです。もしも足し合わせることができるなら、縦に振動している光と横に振動している光を足せば、例えば、斜めに振動している光なんてものができるはずですよね。これを偏光の言葉で言えば、「縦方向の100%偏光と横方向の100%偏光を足せば、斜め方向の100%偏光ができるはずである（註2）」と。でもそうはなりません。普通はゼロの偏光になってしまいます。

こういうふうにバラバラに足し合わさったものを、量子力学では混合状態と呼びます。でも、2つの基底ベクトルから合成された純粋状態というのに対比して、混合状態というのを習っても、私にはあんまりピンと来ませんでした。だけど、2つの直交した偏光はまったく独立したものであり、しかもそれを足すときにうまく位相を合わせて足さないと純粋状態は表せない、というのを、偏光という格好の教材で学ぶのが良いと思うのです。

そして冒頭の宇物のCDコレクションの話題、私のCDとは直交してるんだよなあ、というオチで終わるんですけど、この強引なこじつけ、大ブーイングでしょうかねえ。（とにかく最後までお読みくださりありがとうございます。）

宇宙物理学教室のクラシックCDコレクション

註1）単色の光でないと、もっと短くなってしまいます。まんべんなく色が混じっているような光だと、さらにその何百万分の1の時間というように。

註2）「いや、そういう合成では必ずしも斜めの直線にならない。円偏光ができても不思議はない、電気信号なんかでも、オシロスコープで縦に振動させたのと横に振動させたのを足して円や楕円を作った」というあなた、正しいです。ただ、この場合、そういうのはやっぱり100%の円偏光や100%の楕円偏光です。