光速度不変の法則に間違いはないか

相対性理論について教えてください。

相対性理論によると、光速で動いた場合、時間が伸びるとのことです。有名な「ウラシマ効果」というのですが。

科学は全くの素人なので、全くの愚問かもしれませんが、こういう疑問を抱きました。



光速ロケットが仮にあるとして、その発射地点をＡ、30万Km先の到着地点をＢ、そのＡＢ間を遠くから眺める地点Ｃに観察者がいるとします。

その場合、ＡＢ間の距離は30万Kmで、これは光速ロケットに乗っている人にとっても、Ｃ地点の観察者からも同じ30万Kmです。そして、光の速さが秒速30万Kmとした場合、光速ロケットの速さについても（距離の場合と同じく）両者から見ても一定のはずなのでは？

それで、本当に単純な話ですが、秒速30万Kmで30万Km進むわけですので、かかる時間は1秒で、それは光速ロケット内でも外部でも全く同じになるような気がします。



それに、時間が伸びるとは実際のところ何を意味しているでしょうか。例えば精密な原子時計を光速ロケットに搭載して、光速で進んだ結果、時間が伸びたというのであれば、ロケット内の原子時計はロケット外部の同じ時計よりも遅れていることになるはずです。

ということは、光速で進むと、原子の振動数や原子の周りを回る電子の速度なども遅くなるということでしょうか。さもなければ、どうして時計だけが遅れるということがあるでしょうか。



そもそも、相対性理論は光速度不変の法則を大前提に結論を導いていると思うのですが、実はそこに問題点があるのではないかと考えました。

つまり、なぜ光の速さが観測者に関係なく一定だと言えるか、それになぜ光の速さが絶対的な基準として扱われているのか、なぜ光よりも速いものがないと言い切れるのか、その辺りに関してしっかりとした説明がなされていないように感じました。



そもそも「時間」というものは人間が便宜上定めた「物差し」のはずです。その定規がころころ変わることが本当にあってよいのでしょうか。相対性理論は光速度不変の法則を無理矢理に方程式に当てはめた結果、時間でも伸びることがあり得るといった結論に達したのではないでしょうか。



私は全くの素人ですので、そんな偉大な科学者が提唱した偉大な理論を批判するとはけしからんと叱責されてもどうしようもありません。それに、私が抱いたような疑問はその理論を確立する過程で考慮されたはずであり、過去のそして現在の科学者たちがしてきたことを踏襲しているに過ぎません。

しかし、実際、相対性理論に関する入門書などには光速度不変の法則について詳しい解説がなされていませんでした。それで、その点で詳しい方がいらっしゃいましたら、上記の疑問点にご回答願います。できれば、素人でも理解できる仕方でお願いしいます。

No.1 回答者： TXV12003 回答日時： 2012/07/31 20:39

秒速30万kmのロケットはありえないので、２９万km/sのロケットとします。

ロケットには前方に光を発するヘッドライトがついていて、その光の速度は、止まっているC点から見ると30万km/sで、29万km/sで飛ぶロケットから見ても30万ｋｍ/sです。決して２９万＋３０万ｋｍ/sではありません。
この一見矛盾に思えることは、光の速度を計るためのロケット内の時計がC点の時計に対して遅れているためです。

もちろんロケット内の時計だけが遅れるわけではなくロケットを構成するすべての原子にとっての時間に影響があります。

私もカーナビを愛用していますが、もしこの効果がなければ、カーナビは使い物になりません。

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。

もしも、光速ロケットの側面にフラッシュが付いていたとして、そのフラッシュが前方と後方に同時に光を発する場合、ロケットから見ると前方へ発した光と後方に発した光とでは相対速度が違うのではないでしょうか？　それとも、その場合でも同じなのでしょうか？？


それから、「カーナビに用いられている効果」には関心があります。自分でも調べたのですが、それにもいろいろ異論があるようですね。よければ、それが正しいと言える根拠をできるだけ分かり易く説明いただけると助かるのですが。

お礼日時：2012/08/01 10:38

No.2 回答者： mpascal 回答日時： 2012/07/31 20:51

特殊相対性理論でしたっけ。

これは、自分で本を読んで勉強するしか無いと思います。

ここで質問して理解できる内容ではないと思います。

私も何度か本を読みましたが、未だに理解できていません。

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。

本当にそうですね。私も引き続き勉強してみたい思っています。

しかし、抱いている疑問を一つ一つ解決していくことは、少なからず理解のための前進に役立つのではないでしょうか。

お礼日時：2012/08/01 10:41

No.3 回答者： bgm38489 回答日時： 2012/07/31 21:02

時間が伸びるとは、光速に近い運動をしている物体、まあ、そういうロケットがあるとしたら、そのなかの時間は遅く進む、ということですね。

時計だけが遅れるわけではありません。
ウラシマ効果、というのは、光速ロケットで旅をして、地球に帰ってきたら、地球ははるか未来の世界だった、ということです。浦島太郎が助けたのは実は宇宙人で、カメ型の光速ロケットで宇宙旅行していた？

以下のWikiのサイトは、かなり専門的な内容ですが、３.2のローレンツ変換の、速度の合成のあたりを見れば、なんとなくわかるような。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%89%B9%E6%AE%8A% …

入門書のみならず、専門書（？）、700円前後の新書のの読破もおすすめします。お勧めは、ブルーバックスの「時間の不思議」。

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。

数式などが出てくると理解が難しいですね。光速度が不変であるという「理屈」をもっと分かり易く説明することはできないのでしょうかね？

本当に理解度が高い人ならそのような説明は可能だと思うのですが。

お礼日時：2012/08/01 12:06

No.4 回答者： Tann3 回答日時： 2012/07/31 21:53

　相対性理論、難しいですよね。

私もいまだに理解できません。

　ただ、質問者さんがおっしゃる「光速度不変の法則は間違いではないか 」というのは、残念ながら的外れです。何故なら、相対性理論そのものが、「光速度不変の原理」を前提に作られた理論だからです。

　この「相対性理論はどのようにして作られたか」というあたりは、相対性理論そのものが理解できなくとも、一通り読み物で楽しく学ぶことができます。そこから先の、その理論から何が言えるか、そして数学的な手段を使って理解できるか、というのは次の段階で、そこからがなかなか難物です。

　とりあえずのとっかかりとしての「読み物」は、次のような入門サイトで見ていただいて、もう少し詳しくはブルーバックスや一般向けの「新書」あたりで読んでみてください。

http://www.interq.or.jp/www-user/nozato/pseudo/n …

　もしあなたが理科系人間で、ある程度の数学的基礎があるのなら、次に「教科書」的な入門書に進むとよいでしょう。このあたりの本は、文系・高校生レベルから大学レベルまで、選択に迷うほどたくさん出ています。
　ご自分で調べながら、楽しみつつ気長に学んで行かれるとよいのではないでしょうか。

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。

＞ただ、質問者さんがおっしゃる「光速度不変の法則は間違いではないか 」というのは、残念ながら的外れです。何故なら、相対性理論そのものが、「光速度不変の原理」を前提に作られた理論だからです。


「そもそも、相対性理論は光速度不変の法則を大前提に結論を導いていると思うのですが、実はそこに問題点があるのではないかと考えました」と一応、質問欄に書いたのですが・・・。



参照されているサイトは一通り読んでみました。

「それに気づいたアインシュタインは、相対性原理を物理の大前提とし、マックスウェルの方程式から導かれる一つの結果光速度不変の法則を、相対性原理と組み合わせる物理法則として、採用することにしたのである。」とありました。

しかし、どのようにマクスウェルの方程式から光速度不変の法則が導き出されたのでしょうか？

お礼日時：2012/08/01 13:19

No.5 回答者： tknakamuri 回答日時： 2012/07/31 23:22

まず「時空」というものを理解することから始めましょう。

対象を理解できなければ批判もできません。

個人的にはホイーラーの「時空の物理学」が
お薦めですが、売ってないので図書館で探さないと
読めないかも。

それから、気になったのですが、光速度不変の法則は観測事実に基づく「原理」で
光速度不変を「説明」する理論はありません。

物理を知らない方は物理は「説明」とか「証明」とかするものと勘違いされている方が
多いのですが、物理学者は法則を「発見」しますが、「何故」を説明しません。
事実と法則が「合う」かを確認するだけです。

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。

「説明」とか「証明」などがないとすれば、どのようにその理論が正しいと言えるのでしょうか。「光速度不変の法則は観測事実に基づく・・・」というのであれば、それ自体が光速度不変の法則の正当性を「証明」していると言えるのでは？

しかし、どのような観測事実によって光速度不変の法則は事実であると確認されているのでしょうか？

お礼日時：2012/08/01 13:25

No.6 回答者： heboiboro 回答日時： 2012/08/01 02:42

> その場合、ＡＢ間の距離は30万Kmで、これは光速ロケットに乗っている人にとっても、Ｃ地点の観察者からも同じ30万Kmです。

この部分が違います。
時間の進みが観測者によって違うように、長さも観測者によって違います。
それが時間の遅れとうまく吊り合って、光速度一定と矛盾がなくなるようになっています。

> ということは、光速で進むと、原子の振動数や原子の周りを回る電子の速度なども遅くなるということでしょうか。さもなければ、どうして時計だけが遅れるということがあるでしょうか。
そういうことです。
全ての物理現象（もちろん人間の思考なども含むと考えられます）の進みが遅くなるという意味での「時間の遅れ」です。

> そもそも、相対性理論は光速度不変の法則を大前提に結論を導いていると思うのですが、実はそこに問題点があるのではないかと考えました。
> つまり、なぜ光の速さが観測者に関係なく一定だと言えるか、それになぜ光の速さが絶対的な基準として扱われているのか、なぜ光よりも速いものがないと言い切れるのか、その辺りに関してしっかりとした説明がなされていないように感じました。
しっかりとした説明がなされていないというか、そこに関しては相対性理論は何も説明していません。
少なくとも現在の測定精度と実験技術の範囲で光の速度は一定みたいだし、実際に光の速度を一定と仮定して作った理論はかなりうまく現実の現象を記述できてるから、まあ光の速度一定ってことでいいか、という感じです（もちろん、もっとややこしい議論はいくらでもありますが）。
物理って、そういう学問です。

> そもそも「時間」というものは人間が便宜上定めた「物差し」のはずです。その定規がころころ変わることが本当にあってよいのでしょうか。相対性理論は光速度不変の法則を無理矢理に方程式に当てはめた結果、時間でも伸びることがあり得るといった結論に達したのではないでしょうか。
その通りです、「光速度が不変なら？」という（ある意味で）突拍子もない仮定を無理やり方程式にあてはめたら、時間が遅れるだとか人によって物の長さが違うく見えるだとか、ヘンテコな結果がごろごろ出てきたんです。
でも、実際にそれらの現象が観測されるんです。だったら、本当に光速度不変なのかもなあ、と思うのも自然なことでしょう。
あと、一つの考え方ですが、私は「人間が便宜上定めた物差し」だからこそ「ころころ変わる」とも言えるのではないか、とも思います。

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。

＞少なくとも現在の測定精度と実験技術の範囲で光の速度は一定みたいだし、実際に光の速度を一定と仮定して作った理論はかなりうまく現実の現象を記述できてるから、まあ光の速度一定ってことでいいか、という感じです。

＞でも、実際にそれらの現象が観測されるんです。

具体的にはどのような現象でそれが分かるのでしょうか？

------------------------------------------------

＞この部分が違います。時間の進みが観測者によって違うように、長さも観測者によって違います。

うーん、これは理解し難い部分です。例に挙げた地点Ａと地点Ｂは固定されていますし、そのＡＢ間に目盛りを打っておいてもいいと思います。

確かに、速度が出れば、見え方も変わると思います。さらに言えば、遠くから見た時と近くから見た時は同じ距離でも違って見えます。しかし、それは見かけ上の問題で、例えば、遠くの銀河を眺める時、目測ではわずか数ミリにしか見えなくとも、現実には数光年の大きさであると言われるでしょう？

それと同じように、光速ロケットからＡＢ間の距離がどのように「見えても」、ＡＢ間の距離そのものは変わらないのでは？　それともＡＢ間の距離そのものさえも変わり得るのでしょうか？

お礼日時：2012/08/01 13:38

No.7 回答者： -Ken-Ken- 回答日時： 2012/08/01 03:38

光速度不変というのは、このように説明できるとおもいます。

まず、マクスウェルの電磁場の方程式から、光の速度はその場所の誘電率と透磁率（正確に言えば誘電率と透磁率の積）だけで決まることがわかります。
誘電率も透磁率もその場所の速度に依存しません。だから光の速度もその場所の速度に依存しないことになります。

もし、／に走っている光と、|に走っている光が別の速度を持っていたら、それは／の経路と|の経路で、誘電率や透磁率が違うことを意味します。交わった点の誘電率や透磁率がはどうなるかというのは置いておいても、とにかく違うのですから、その場合、／の光と|の光が交わったら光は屈折するはずです。
ですから、星空に星が点として見えるのは、まさに光速度が不変であるからだ、という話をどっかのウェブサイトで読んだ覚えがあります。

この光速度不変を実験で確かめたのが、マイケルソンとモーリーです。
本当は、光を伝播するエーテルという媒質がある、ということを確かめようとしたのですが、失敗しました。エーテルがあれば、それがいわば"絶対間性系"であるかもしれませんね。
失敗した、すなわち、エーテルは存在しないということが分かったわけで、物理学史上特筆すべき実験となり、ノーベル賞も受けました。

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。

この理論で、どのように光速度が観測者によらず不変であるということを証明しているのか、私には理解できませんでした。（私の理解力のなさにも原因ありかとは思いますが。）

マイケルソンとモーリーの実験についても、それによって具体的にどのように光速度が不変であることが立証されたのでしょうか？

お礼日時：2012/08/01 13:43

No.8 回答者： tknakamuri 回答日時： 2012/08/01 08:28

>誘電率も透磁率もその場所の速度に依存しません

これは説明すべき対象を光速度から誘電率や透磁率に移しただけですよね。

特殊相対論では「光速度不変」は電磁現象とは無関係に成り立つ根本的な「原理」
としています。真空の誘電率や透磁率の不変も原理から導き出されるもので、
真空の誘電率や透磁率の不変から「光速度不変」は導けません。

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。

もう少し物理学を勉強する必要を感じました。よければ、引き続き、私でも分かるような仕方でご説明いただければ助かります。

お礼日時：2012/08/01 13:45

No.9 回答者： lineage_of_kei 回答日時： 2012/08/01 10:20

粒子の速度の定義法の問題が発端の疑問かと思われます。

まず、マイケルソン＝モレーの実験というもので観測法によって光の速度はどうやら変わらないっぽいぞ、という点は認めておく必要があります。まず実験事実が存在する。

以下ごちゃごちゃっと計算すると、いろいろなことが分かったというのが標準的な相対論のテキストスタイルかと思われます。



ちょいと、相対論の思考から抜けて量子論から攻めてみましょう。



光は量子化というプロセスを経ることで、光という波動の形態からフォトン（光子）という粒子で記述されます。

このフォトンという粒子が曲者で、通常の粒子のように質量を持ちません。

それゆえ、運動量が分かったとしても重さで割り算して速度を導くという方法を取ることができないわけです。

光波動の理論では、

ω(振動数)=c(光の速さ)×k(端数)

の関係がよくつかわれます。
これは量子電磁力学という分野では光のエネルギーと運動量の関係

E=c×P　

に置きかえられて議論されます。1つ目の式にプランク定数と呼ばれるものをかければこの2つ目の式が手に入ることになっています。

理由は置いといて、実験事実として光の速さがどう図っても一定である環境で、違う観測者が同じ光を観測すると、速度の代わりに、このエネルギーと運動量の数値が変わるわけで、結果として波数と振動数が変わるわけです。

速度は変わらないのですが、光の色が観測者によって違うわけです。


また、最近はヒッグス粒子と呼ばれる特殊な粒子が発見されたのではないかと話題になっています。

これは空間にぎっしり満たされていて、粒子はこれと常に相互作用して、おそらく摩擦力のように働くのだと思われますが、たとえば光の速度で走っていたとしても見えないこの摩擦で光速度から徐々に低速になっていきます。
フォトンはヒッグスに対しても特殊な効果を示し、相互作用は一切ないそうでこの見えない摩擦に対する減速機構がないそうです。ゆえに光の速度は保たれ続けるというのが現代物理学の見解だろうと思われます。

光の速速さが粒子の速さの上限値になるのは、このように素粒子物理の結果からも今のところは破綻なく支持されてます。
(実は粒子運動にランダムなノイズを入れると、ごく一瞬だけ光速度を超える瞬間があります。これは数理モデルの差が生んだ結果のようです。本質はそんなに変わらないはず。)

マイケルソン＝モレーのエーテルに対する実験はただの光の測定実験と言うだけではなくて、くしくも現代素粒子物理のヒッグスの測定と等価ともとれますね。

ごまかしごまかしの文章ですが、何かの足しになれば。

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。

やはりもっと物理学を勉強しなければなりませんね。しかし、これらの観測結果というのは、人間の既知の領域であって、未だ知られていない未知の領域があるということを考慮に入れられていないのではないでしょうか？

調べてみると、暗黒物質だとか、まだまだ人間の知らない領域がある模様ですね。確かに、人間の観測可能なものの中で光が一番早いのは事実ですが、それだけでそれ以上の速さのものはないと断定するのは早計な気がします。

お礼日時：2012/08/03 12:09

No.10 回答者： tknakamuri 回答日時： 2012/08/01 16:21

>「光速度不変の法則は観測事実に基づく・・・」というのであれば、

>それ自体が光速度不変の法則の正当性を「証明」していると言えるのでは？

実験には必ず付帯条件が伴いますので「蓋然性を高める」くらいですね。
アンドロメダ銀河や1万年後の速度は保障できないですし、なぜ30万ｋm/sという値に
なるかを示すこともできません。
実際光速度は時間とともに変化するだろうと唱える学者も少数ながらいます。

>どのような観測事実によって光速度不変の法則は事実であると確認されているのでしょうか？

例えば、エベンソンの 1973年のレーザによる実験では
299792.4580±0.0012km/s とすでにほとんど歩く速さくらいの誤差で
測定されてます。

この結果からは

A) 光速は地球の(光源の)宇宙に対する運動に対して不変。
B) 光速は観測者に対する光源の速度に対しても不変

と言えるでしょう。なぜB)が成り立つのか考察してみると面白いですよ(^^;