光の宇宙空間の伝わり方について

Question

中学生のときから（今高校生）、光は波であったり、粒子で会ったりすることの意味がわからず、関心を持っています。
　
１　本でエーテルを読みました。これは、実験により存在が否定されたようですが、もしエーテルに微小な質量があり、地球の自転や実験室とエーテルが一緒に動いていたら、この実験では時間差は生じず、エーテルの存在を否定できないのではないですか。

２　図書館に超弦理論（一般用の本でしたが難しくてよくわかりませんでした）について書いている本を少し読んでみました。また学校で「Ｌ，Ｃ並列回路が共振した場合、外からは電流が流れていないように見え、エネルギーを持っているように見えない。」と習いました。この超弦と共振が似ているような気がします。
　この超弦が粒子と反粒子が衝突しエネルギーとなって消滅し、完全に対象でない部分がエネルギー共振状態となって残っている物ではないのでしょうか。
　光子の粒子は、この超弦の波に衝突し、エネルギーを吸収され、超弦の共振状態が壊れ、光子が出て来て、超弦はまた共振状態に戻り、出て来た光子がまた「超弦」に衝突し、波、粒子、波・・・を繰り返して、光が伝達するような感じを受けました。
　この変な思い込み的な考えを、否定して、僕をすっきりさせてください。

３　宇宙の「ダーク・マター」は、このビックバン後にできたエネルギー共振状態の超弦の集まりではないでしょうか。超弦は光子、高エネルギー電波、ちっちゃな粒子が衝突すると、共振状態が壊れ、一部のエネルギーが粒子になり、質量が発生し、宇宙規模では大きな重さになるのでは？
　変な愚問で申し訳ありません。教えてください。

dahho · Accepted Answer

大学で物理を専攻した者です。長文ですみません。

まず、物理学と哲学は違うということを意識したほうが良いかもしれません。別の言葉で言えば数式と解釈の違いです。もちろん物理の面白さは解釈あってこそのものと思いますが、物理の基本は実験と数式が定量的に一致して理論が証明されるというところにあります。

歴史的に言えばアリストテレスなどが物体の落下についていろいろ考えていますが、ガリレオは物体の落ちる理由を考えるのではなく、物体が時間の２乗に比例して落下することを発見しました。その後物体の落ちる理由についてガリレオも考えてはいましたが、それは間違っていて現在では数式のみが残っています。ニュートンも重力が距離の２乗に反比例することを発見しましたが、重力の発生原因についてはわからなので後回しにしていました。

つまり、数式だけでは味気なく、面白くなく、意味も良くわからないので物理的な解釈をすることは必要ですが、解釈はそれぞれの人が勝手な解釈をするので、専門家の間でも統一はされていないものです。物理では数式が実験と一致していれば、その理論は正しいものとされ、その数式を見てそれぞれの人がそれぞれの解釈をして、その理論を「理解できた」と思うわけです。

１の答えとしては、ローレンツ変換は実験と一致するので正しい理論なのですが、それの原因を電磁場とするかエーテルとするかという解釈の問題です。エーテルが存在するとしてもそれは原子からできているのかといえば、そうではないように思えます。ここで論じているエーテルとは何かと聞いて、その性質を挙げていけば結局それは電磁場と同じになるはずです（なぜなら数式で表せば同じものだから）。原子からできているのではない「何か」を電磁場と呼ぶかエーテルと呼ぶかというイメージの問題だと思います。ただ、エーテルの話をすると混乱するし、説明が面倒なので「エーテルは否定されて、電磁場（真空）が正しい」といっているだけと思います。

同じ理論（数式）に２種類の解釈があった場合、わかりやすいほうが人々に受け入れられやすいです。例えば、天動説は計算上は間違っていません。ちゃんと惑星の運動を予測し観測と一致しています。しかし、地動説と比べて解釈が複雑なために、受け入れられないのです。

２についてですが、まず一般書でも良いですから、素粒子論の歴史的な流れをつかんでいろいろな理論をごっちゃにせずに整理するべきと思います。現在のところ、QED（電磁量子力学）、QCD（量子色力学）あたりまでは実験的に正しいことが確認されています。しかし、その後の大統一理論、超弦理論などは理論が提唱されただけで何も証明は無いようです。今後の実験によっては証明されることもあるでしょうし、否定される可能性もあるでしょう。

質問者の光子のイメージはたしかに間違ってはいないかもしれませんが、非常に分かりにくい表現になっているように思います。

光子は（超弦は関係なく）QEDの理論のファインマンダイヤグラムで表されるように、真空中を伝わる間に電子陽電子対に分解してまた対消滅して光子に戻るということを繰り返しています。また、エネルギーと時間の不確定性の関係があるので、短時間なら本来存在しないエネルギーを借りてきて粒子・反粒子のの対生成が起きることもあります。

波と粒子の話は量子力学に出てくる波束の収束の問題です。QEDとは一緒に考えないほうが良いでしょう。

Ｌ，Ｃ並列回路の話は、ゼロ点振動のことを言っているのだとすれば、回路とは関係ないと思います。ゼロ点振動は量子力学を考えて初めて出てくるものなので、回路のような古典系では出てきません。No.1のおっしゃるように調和振動子の問題です。これは素粒子論というより量子力学の基本のところで出てきます。

超弦は詳しくは知りませんが、たくさんある素粒子をそれぞれ別の物質として考えるのでなく、超弦の振動の状態の違いがそれぞれの素粒子だと考える理論です。例えば電子と非常に似ているが質量だけ重いミューオン、さらに重いタウオンが実験的に見つかっていますが、電子を例えば弦にひとつだけ山ができて振動している状態として、ミューオンをその倍波（山が2つ）、タウオンを3倍波（山3つ）で表そうというものだったと思います。

３の宇宙論についても詳しくないのですが、ダーク・マターとは、銀河の観測できる星の質量の合計より、銀河の外のほうを回っている星の遠心力から計算した星の質量の合計が大きくなってしまって、光っていない物質がたくさんあるのではないかという考えです。ですから隕石のようなものの可能性のあるし、光っていないガスの可能性もあるわけです。

光の伝播については、高校の説明では間違っていることも多いかもしれません（今の教科書を見たこと無いので知りませんが…）。電場→磁場→電場→磁場というのはあまり正しい解釈ではないと思います。これは電場が最大のとき磁場も最大になっているからです。説明すると長くなるので疑問でしたらまた別の質問にしてください。

というわけで、質問者の頭の中ではいろいろなものが一緒になっているように思いますので、（興味があるものをどんどん読むのはいいと思いますが）
電磁気→相対論・量子力学→QED→超弦
とステップアップしているうちの、どのステップで議論しているのか明確に整理したほうが良いかもしれません。

もうひとつ注意すべきなのは本が正しいとは限らないということです。本を書くのに資格などいりませんし、著者も完全に分かって書いているとはかぎりません。この教えてgooと同じようなものだと思います。

確かに数学は独学では難しいと思います。大学などで数学を習ったときでも「意味わかんねー」と思っていても1,2年後に勉強しなおすと結構分かったりします。英語などの言語と同じで結局は慣れだと思います。

ただ、私の友人で思い込みが激しく、自分の頭のなかで自分なりのイメージを作ってしまったために本を読んでも素直に受け入れられなくなって苦しんでいた人もいます。なので、一気に100%理解しようとせずに分からないところは「ふーん、そーなんだ」と頭をやわらかくして本を読んでいくというのも必要なことと思います。参考までに、私は高校のときに岩波書店の砂川重信著「相対性理論の考え方」「量子力学の考え方」などを読んでいました。数式も使い、わかりやすく説明してあると思います。

ojisan7 · Answer

私自身、良くわかりませんが、超弦理論は難しく感じます。一般的に物理法則を統一した理論はカルツァ・クラインの統一場の法則に始まり、大統一理論、超弦理論、ループ量子等に至るまで、電弱理論（サラム、ワインバーク理論）以外は、まだ仮説といえる程の域には達していないように感じます。それらの、理論は数学で表現されているので、やはり数学で理解するしかありません。通俗書では、分かったつもりになっても、その理解は全くのおとぎ話の説明でしかないように感じます。おとぎ話の説明の上に、更に空想を積み重ねても、全く意味をなしません。
　以上のことは、私の、私自身に対する戒めの言葉であり、今後も学問に対し精進していくつもりです。
　質問者も是非そのような方向で精進してください。

shiara · Answer

No2です。横方向のドップラー効果について補足です。
　横方向とは、光の進行方向ではなく、光を放射した物体の運動方向です。光は観測者に向かって来ています。

shiara · Answer

１番の問いのみ回答します。
　この実験というのは、マイケルソンの実験（普通はマイケルソンとモーレーの実験と言われています）のことと思いますので、その前提で説明します。マイケルソンの実験は、エーテルの流れを測定しようとするものですから、エーテルの流れがなければ、実験には引っかかりません。マイケルソン自身も、実験後、エーテルの引きずりがあると考えて、追加で実験をしています。それは、地表付近では引きずりがあるとしても、地表から離れれば引きずりは小さくなると考え、高地での実験を行ったものですが、結果は同じでした。
　歴史的には順番が逆になりますが、マイケルソンの実験より前に、同じような実験が行われています。それは、地球の運動を測定する目的でしたが、マイケルソンの実験同様、エーテルの流れは見出されませんでした。そこで考えられたのは、エーテルとは運動する物体にある割合で引きずられるものだ、というものでした。この考え方に基づくと、物体の速度をｖ、光の速度をｃとして、v/cの1次までの近似で、実験結果と合うことが分かりました。その当時の技術では、2次以上の精度での実験ができなかったため、この考え方でエーテルは生き残ってきたのです。マイケルソンの実験は、その後に行われたものです。マイケルソンの実験は、2次の精度で測定できるものでしたが、その結果は、エーテルの流れを否定するものでした。
　元々、マイケルソンの実験以前にエーテルの引きずりは考えられていましたから、マイケルソンの実験で、エーテルが生き残る可能性は絶たれたと思われましたが、そこに起死回生のアイディアを持ち込んだのがローレンツです。ローレンツは、エーテル中を物体が移動すると、エーテルと物体の間の電磁気的な力で、物体の長さが縮むと仮定したのです。このように考えれば、エーテルの流れが見出されないとしても不思議ではありません。このように一時は息を吹き返したかに見えたエーテルですが、ローレンツの収縮仮説でも説明できない現象がありました。それは、横方向に運動している物体から出される光のドップラー効果です。通常、ドップラー効果は、観測者に対して遠ざかるか近づくかすることで、振動数が小さくなったり大きくなったりすることを指しますが、横方向に移動する場合でも、振動数が小さくなる現象があります。これは、運動する物体の時間の進み方が遅くなるためですが、ローレンツ収縮の考え方では、この現象を説明できませんでした。ローレンツはさらに考えた末に、運動する物体では時間の進み方も遅れるとして、有名なローレンツ変換の式を求めました。
　このように、エーテル仮説にこだわってローレンツ変換式まで求めたのですが、収縮の場合と違って、時間の遅れの方はとても説明ができないものだったのです。これに対し、相対性原理と光速度不変の考え方だけに立脚して、まったく同じ変換式を求めたのがアインシュタインです。アインシュタインの考え方によれば、物体の収縮も時間の遅れも、四次元時空での回転という概念で説明されます。何よりも、とって付けたような不自然な仮定をたくさん持ち込まなくても、理路整然とした理論が構築され、しかも、実験結果とあっているということで、アインシュタインの考えが受け入れられていきました。
　エーテルに関しては、２０世紀のはじめまで、世界中の物理学者が議論をしてきました。それこそ、質問者様が考え付くようなことは、議論し尽くされていると言っても過言ではないでしょう。それでも何か新しいアイディアを思いついたのであれば、当時の議論を調べてみるとよいでしょう。もしかしたら、誰も考えなかったようなアイディアかもしれません。

tomtom_ · Answer

2番の前半はともかく，後半はいいところを突いているのではないでしょうか．

まず，LRC回路と弦との関連は，たぶんありません．それならばもっと単純な調和振動子（バネとか）の方が関係がある可能性は高いと思います．

次に，対消滅でたまたま消滅し切れなかった部分が残るのではないかということですが，これは物理学的には難しいですが数学的には非可換代数として定式化が可能です．超弦理論で使われるビラソロ代数など沢山の非可換代数があり，対称性がないものは実は多いと予想されています．

最後に，光子の伝わり方ですが，これは高校で習うはずです．実際には弦は関連せずに，光が電場→磁場→電場→磁場と衝突（？）や場の生成を繰り返して光が伝達されます．

結構，科学的に正しいところを考えていると思いますよ．科学者を目指してはいかがでしょう．

光の宇宙空間の伝わり方について

大学で物理を専攻した者です。

この回答への補足

私自身、良くわかりませんが、超弦理論は難しく感じます。

No2です。

１番の問いのみ回答します。

2番の前半はともかく，後半はいいところを突いているのではないでしょうか．

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