光子は「切ろう」とすると無限に増える――でも外からは1個に見えた

ギリシャ神話に、ヒュドラという怪物が登場します。首を一本切り落とすと、その切り口から二本の首が生えてくる、たいへん厄介な相手です。

ところが光のつぶ（光子）の世界では、それよりもっと奇妙なことが起こるようなのです。

ノルウェーのオスロ大学（UiO)の研究チームによれば、光のつぶの端を少しだけ切り取ろうとすると、首が二本どころか、理想的な切り方をすれば、なんと無限にたくさんのつぶが生まれ得ることが、理論的に示されました。

ところが、本当に不思議なのはここからでした。無限のつぶがざわめいているはずなのに、切れ目の左右をのぞいてみると、片側には「つぶが1個」、反対側には「空っぽの真空」。

まるで何も増えていない、ありふれた景色が広がっていたのです。

無限に湧いたはずのつぶは、いったいどこへ消えたのでしょうか？

そして、そもそも割れないはずの光から、なぜつぶが生まれるのでしょうか？

研究内容の詳細を示した論文は2026年5月18日に『Physical Review Letters』に受理されました。

目次

• 割れないはずの光を、切るということ
• 光子を切ろうとすると無限に湧く——―なのに、見ると1個
• 光のつぶは「何もない空間」から湧いていた
• なぜ「無限個」なのか——―狭く閉じ込めるほど、つぶは増える

割れないはずの光を、切るということ

世の中のものは、どこまでも細かく分けていけそうに思えます。ケーキを半分に、その半分をまた半分に。包丁さえあれば、いくらでも続けられそうです。

けれど、ものをどんどん細かくしていくと、最後には「これ以上は分けられない」という、究極のつぶにたどりつきます。それが素粒子です。自然界をかたちづくる、いちばん基本の部品。それ以上は、どんな刃物を使っても割れません。

たとえば、原子の中心にある陽子。これは3つのクォークというつぶからできています。けれど、そのクォークを取り出してさらに半分に、というわけにはいきません。クォークは、もうそれ以上は分けられない。これが素粒子です。

そして、光のつぶ——光子も、この素粒子の仲間です。つまり光のつぶは、原理からして「半分に割る」ことができないのです。

ここで、ひとつ引っかかります。

「割れないなら、そもそも切りようがないのでは?」

もっともな疑問です。ふつう「切る」といえば、1個のものを刃物で2つに割ること。割れないものを切る、というのは、言葉からして矛盾しているように聞こえます。

ところが、ここで光ならではの不思議な性質が効いてきます。

私たちはつい、光のつぶを、空中にぽつんと浮かぶ小さなビー玉のように思い描いてしまいます。けれど、実際はそうではありません。

量子の世界では、光は「つぶ」であると同時に、「波」でもあります。波だということは、一点にぎゅっと固まってはいない、ということです。

水面に立った波が、ひとところにとどまらず、すうっと横に伸びていくのを思い浮かべてください。

光のつぶも、あんなふうに空間へうっすらと広がった、細長い帯として、光の速さで流れているのです。

帯ならば、その全部を真っ二つにしなくても、流れていく途中で「一部分だけ」を狙うことができそうです。

たとえば、帯が通り過ぎるところに、すばやくオン・オフを切り替えられる鏡——いわば光のシャッター——を置く。

すると、帯のうち鏡に当たった一部分だけが、はね返されます。

つぶを真っ二つに割るのではありません。

広がった帯の一部に鏡を当て、そこだけを断つ——そういうイメージです。

割れないはずのものでも、こうすれば「一部を切り取る」ことができるはずです。

では、帯の一部をさえぎったら、残りはどうなるのでしょうか。

光子を切ろうとすると無限に湧く——―なのに、見ると1個

帯の一部を鏡でさえぎったら、残りはどうなるのか。

素直に考えれば、答えはこうなるはずです。

こちら側に1個。そして向こう側には、何もない空っぽの空間——真空が残る。

光のつぶは割れないのだから、これ以外の答えはなさそうに思えます。

ところが、研究チームが光と電磁場のふるまいを記述する量子の方程式を使って、きちんと計算してみると、この素直な予想は、まちがいだとわかりました。

光のつぶを切ろうとすると、減るどころか、新しいつぶが次々に生まれてきたのです。

しかもその数は、0個、1個、2個……と、どこまでも続いていく。

無限個までのあらゆる可能性が、いっぺんに含まれた状態でした（※より正確に言えば、「光が何個ある状態か」という見方をしたときに無限個ぶんまでふくらんでいた、ということです）。

「0個でもあり、1個でもあり、2個でもあり、それらが重ね合わさったり混ざり合ったりして含まれている」——これは、リンゴのように数がはっきり決まっている世界とは、まるで違います。

ふたを開けるまで何個あるか決まっていない。量子ならではの、ふしぎなあり方です。

割れないはずの光のつぶを、ほんの少し切ろうとしただけ。

なのに結果は、無限個のつぶがざわめく、おそろしく複雑な状態でした。

神話のヒュドラは「1本切れば2本」でしたが、光のつぶは「少し切れば無限個」。

神話の怪物さえ、はるかに上回る奇妙さだったのです。

——と、ここで話が終われば、「光を切ると、とんでもなく複雑になる」という、それはそれで面白い結論でした。

ところが、本当に不思議なのはここからです。

研究チームが、切れ目を境にして、その左右を詳しく調べてみると、まったく予想外のことが見えてきました。

切れ目のあたり——専門的には「遷移領域」と呼ばれる、ごく狭い区間——をはさんで、その片側だけを見ると、「光のつぶが、ふつうに1個あるだけ」。

反対側を見ると、「ただの空っぽの真空」。

そんな、拍子抜けするほどありふれた景色が、そこにはあったのです。

全体としては、無限個のつぶが重なり合った、超のつく複雑な状態のはずです。

それなのに、見る場所を切れ目の左右にしぼると、まるで無限個など最初からいなかったかのように、ごく当たり前の顔をしている。

この研究について取材に対しコメントを寄せた、英ヨーク大学のサミュエル・ブラウンスタイン氏は、この不思議さをこう言い表しています。

量子の世界では「恐ろしく複雑なものが、まったく単純なものに見せかけることができる」のだ、と。

正体は、無限のつぶがひしめく途方もない怪物なのに、こちらが見ている範囲では、すました顔で「ただのつぶ1個ですよ」「ここは何もない空っぽですよ」と、すっかり単純なふりをしてみせる——そんなイメージです。

ここまでで、なぞなぞは3つに増えました。

割れないはずの光から、そもそもなぜ、つぶが湧いて出るのか。
湧いたつぶは、いったいどこにいるのか。
そして——なぜそれが、よりによって無限という数になるのか。

以降では、この3つの謎を、ひとつずつ見ていきます。

光のつぶは「何もない空間」から湧いていた

なぜ、鏡で光のつぶを切ろうとすると、無限のつぶが湧き出してくるのか。そして、湧いたはずのつぶは、どこへ消えてしまったのか。

このなぞは、2つの問いに分けて考えると、わかりやすくなります。

1つは「そのつぶは、どこから来るのか」。

もう1つは「湧いたつぶは、どこにいるのか」です。

つぶは、どこから来るのか

まずは1つ目、「つぶはどこから来るのか」。

私たちは「真空＝何もない、空っぽの空間」だと思っています。光のつぶを切った向こう側にあるのも、てっきり、そんな何もない空間だと思います。

でも、量子の世界では、そうではないのです。

何もないはずの空間にも、目には見えない電磁場（電気と磁気がつくる場）の「ゆらぎ」が、絶えずさざめいています。

海面が、風がなくても完全には静止せず、つねに細かく波打っているようなものです。何もないように見えて、その水面の下では、いつも何かがうごめいている。

そして、このゆらぎがちょっと刺激されると、何もなかったはずの空間から、本物の光のつぶがポンと生まれることがあります。

鏡やシャッターのはたらきをすばやく切り替える、という行為が、まさにこの刺激になります。

鏡の効き目を急に変えるたびに、まわりの真空がかき混ぜられ、何もない空間から光のつぶが呼び出される——。

ブラウンスタイン氏は、これをこう表現しています。

鏡やシャッターを素早く変化させるたびに、真空をかき混ぜ、何もない空間から光のつぶを呼び出すことになる

もとの1個のつぶが、2個、3個と分裂したわけではありません。あくまで、鏡の効き目を切り替えるという行為が、まわりの真空から新しいつぶを呼び出しているのです。

「真空からつぶが湧くなんて、SFのような作り話では?」と思うかもしれません。

けれど、これは突飛な空想ではありません。

「動く鏡が真空からつぶを生み出す」という現象そのものは、動的カシミール効果という名前で知られていて、すでに本物の実験でも確認されている、れっきとした物理現象なのです。

実際、2011年にスウェーデンの研究チームが、鏡のかわりに特殊な電子回路を使い、その”鏡としての効き目”を、光速の数%にもなる猛烈な速さで電気的に切り替えたのです。

こうして、何もない真空から本物の光のつぶ（マイクロ波の光）を取り出すことに成功しています。

今回の研究は、その確かな土台の上に乗っています。

湧いたつぶは、どこにいるのか

さて、これで「つぶがどこから来るのか」は分かりました。

まわりの真空から呼び出されていたのです。

けれど、ここで新たななぞが浮かびます。

真空から湧いたはずの、無数のつぶ。

それなのに、先に見たように、切れ目の左右を調べても、つぶは1個と真空しか見当たりません。

湧いたはずのつぶたちは、いったいどこにいるのでしょうか。

答えは、切れ目のごく狭い区間——あの遷移領域——のなかです。

余分に現れた複雑さやエネルギーは、左右に散らばっていたのではありません。切れ目という、ごく狭い場所にだけ、ぎゅっと集中していたのです。

物理の言葉で言えば、こうなります。鏡の効き目を切り替えるという外からの操作を通じて、真空がもともと持っていたエネルギーが、本物の光のつぶのエネルギーへと姿を変え、その切れ目のあたりに蓄えられた——。

イメージとしては、広い部屋なのに、熱気がドアのところ一か所にだけこもっていて、部屋の左半分にも右半分にも、ほとんど伝わっていない感じです。

遠目には「左はがらんとしている、右もがらんとしている」と見えるものの、ドアのところに、むんとした熱気が渦巻いている状態です。

切れ目のまわりも、これと同じでした。

込み入った事情はその一点にぎゅっと集まっていて、左右の領域にまでは、はみ出していなかった。

だから左右を見れば、いつでも「1個」と「真空」に見えていたのです。

これで「どこから来て、どこにいる」のかは分かりました。

——でも、いちばん根っこのなぞが、まだ手つかずで残っています。

そもそも、なぜ「無限個」などという、とんでもない数になってしまうのでしょうか。1個や2個ではなく、無限個。これはいくらなんでも、多すぎます。

なぜ「無限個」なのか——―狭く閉じ込めるほど、つぶは増える

なぜ、無限個などというとんでもない数が出てきたのか。

じつは先に見た「複雑さは切れ目の外へはみ出していなかった」という事実が、そのまま大きなヒントになっています。

量子の世界には、こんな法則があります。「光を、これほど狭い範囲にきっちり閉じ込めようとすると、その代償として、関わってくる光の”数の成分”が、必ずふくれあがってしまう」というのです。

「閉じ込めること」と「数がふくらむこと」が、どうして関係するのでしょうか。一見すると、まったく無関係な2つの話に思えます。

ここで思い出してほしいのは、「光は波である」ということです。そして、波には1つ、面白い性質があります。

ここから先がストンと垂直に途切れるような、くっきりと角ばった、鋭い形をつくるのは、とても難しいのです。

音で考えてみましょう。

きれいな単音——サイン波と呼ばれる、いちばん素直な波——は、なめらかに上下するだけで、どこにも「角」がありません。

フルートのやわらかな音を思い浮かべてください。あれが、角のない波のイメージです。

では、角がカクカクした波——四角い形をした波——は、どんな音でしょうか。

じつは、これに心当たりのある方は多いはずです。

ファミコンの、あの「ピコピコ」と鳴るゲーム音楽、あのとがった電子音の正体が、まさに四角い波(矩形波)なのです。

やわらかなフルートと、とがったピコピコ音。この音色の違いこそ、波の形の違い、そのものなのです。

では、あのカクカクした波は、どうやって作られているのでしょうか。

単音を1つ鳴らすだけでは、まったく足りず、高さの違う音を、何種類も何種類も重ね合わせる必要があります。

そして、角を鋭くすればするほど、より高い音を、際限なく足し続けなければなりません。

そして完全に垂直な断ち切りの波をつくろうとすれば、それこそ無限の種類の音を重ねなければならない、というわけです。

光の波でも、これと似たことが起こります。

「ここでピタッと途切れて、向こう側は完全にゼロ」という鋭い断ち切りをつくるには、波長の違う波を、無限の種類だけ重ね合わせなければなりません。（※厳密には「波長成分の数」と「つぶの数」はイコールではないのですが、イメージとしてはこの理解で十分です）

「光を切ったら無限にふくらんだ」という、あれほど奇妙に見えた結果は、決して異常事態ではありませんでした。

光を狭い範囲にぴったり閉じ込める——それはつまり、波を究極までカクカクにし、真空を限界まで強くかき混ぜるということ。

ならば、量子の法則からして、関わる光の成分が無限にふくらむのは、最初から分かりきっていたことだったのです。

驚きの現象が、ふたを開けてみれば、法則どおりの当然の帰結だった。

ものごとを「ここでスパッと」と完全に断ち切ろうとすると、その代償として、際限のない複雑さを呼び込んでしまう。

きれいな境界線は、ただではすまないのです。ここに、この研究の静かな美しさがあります。

さて、ここまでは、鏡を一瞬で「パッ」と取り去った、いわば極限の場合の話でした。

最後に、もう少し現実に近い場合も、見ておきましょう。

じつのところ、平均すると見込まれる光子の数が本当に無限大に発散するのは、鏡を一瞬で取り去った、この理想的な極限のときだけです。

鏡を一瞬ではなく、ゆっくりとした有限の速さで切り替えると、期待される光子の数は無限大ではなく、ちゃんと有限の数におさまります。

そしてこのとき、切れ目は、厚みゼロの一本の線ではなくなります。

鏡を動かす時間に応じて、ある程度の幅を持つようになります。

すると帯は、3つの層に分かれます。

片側の領域、真ん中の切れ目の領域、そして反対側の領域。点だった切れ目が、目に見える帯へと育つわけです。

それでも、切れ目をはさんだ両側を見れば、結果は変わりません。

片側はほぼ1個、反対側はほぼ真空のまま。込み入った事情は、あくまで真ん中の切れ目のなかにとどまっていて、その外側にまでは染み出していきません。

だから両側は、いつ見ても、1個と真空のままに見えるのです。

もっとも、今回の研究は理論計算によるものです。

鏡で光を切る、というこのシナリオを実際に確かめるのは、これからの課題ということになるでしょう。

けれどこの理論から得られるものは少なくありません。

私たちは、世界をきっぱり切り分けられると思っています。

ここまでが光で、ここから先は何もない。

そんなふうに、ものごとには、はっきりした境目があるはずだと。

けれど、割れないはずの光を、ほんとうに切ろうとした瞬間、その切れ目には、無限の複雑さが押し寄せていました。

それでいて、ほんの少し離れて眺めれば、世界は何ごともなかったかのように、「光が1個、あとは空っぽ」という顔をしている。

正体は、無限のつぶがざわめく怪物なのに、こちらが見ている窓の中では、涼しい顔で「ただのつぶ1個ですよ」と単純なふりをしてみせるわけです。

量子の世界では「恐ろしく複雑なものが、まったく単純なものに見せかけることができる」とは、ブラウンスタイン氏の言葉です。

私たちがふだん「単純だ」「当たり前だ」と思って眺めている世界の風景は、ほんとうに単純なのでしょうか。それとも——本当は途方もなく入り組んでいるのに、私たちがいつも、限られた窓からのぞいているだけ、なのでしょうか。

この発想は今後、つぶ1個だけでなく、複数のつぶや、電子のような別の粒子を考えるときの手がかりにもなりそうです。

光のつぶが見せてくれたこの不思議が、ほかの粒でも顔を出すのか——それは、これからの研究が確かめていくことになります。

光は、切ろうとすると、無限に増える。けれど、外側から見れば、何も増えていないように見えた。

——世界は案外、そういう涼しい顔で、私たちのすぐ隣にいるのです。

元論文

Truncated photon
https://doi.org/10.1103/94pm-hp34

ライター

川勝康弘: ナゾロジー副編集長。 大学で研究生活を送ること10年と少し。 小説家としての活動履歴あり。 専門は生物学ですが、量子力学・社会学・医学・薬学なども担当します。 日々の記事作成は可能な限り、一次資料たる論文を元にするよう心がけています。 夢は最新科学をまとめて小学生用に本にすること。

編集者

ナゾロジー 編集部