光速度一定の基準空間とは何か

光速度は秒速30万キロメートルの一定値と言います。速度にはその定義する基準空間座標が有る筈です。光速度は余りにも有名なアインシュタインの特殊相対性理論で良く論じられます。一般にその速度基準はどのようなものと考えますか。

質問者からの補足コメント

• 

  たくさんのご指導やご意見を頂きました。ありがとうございました。
  折角でしたが、まだご意見の光の「光速度一定」を定義する基準空間を理解できないでいます。用語の〈慣性座標系〉が地球等の運動する星の上での実験的観測の場を基準空間としていると確認しました。その座標が高速度でも光源と観測者の相対距離が変わらなければ、光の観測周波数・波長は変化しないでしょう。ただ、光の放射時刻と受信時刻との間には相対距離と光速度一定の計算の伝達時間差が出ましょう。なお、広がりを持つ電波と光では地球導体近傍の空間の影響で現象に差も出ましょう。実際を知りませんが、相対距離の変動する飛行機着陸時の有視界飛行での受信信号は如何でしょう。様々な研究で、光通信・伝播現象以外にもそれを相対性理論に関連付ける解釈があるようですが、疑問に思います。特殊相対性理論の論拠と静電場内の磁界の解釈の関係が問答になるかと思います。

    補足日時：2015/09/11 10:17

• 

  ありがとうございます。
  多くの方に御回答、ご議論頂きました。ベストアンサーを選ぶことが要求されています。しかし、未だに選べないで居ります。誠に申し訳ありません。
  お叱りを受けている点が、私が元もとアインシュタインの『特殊相対性理論』が詭弁論だと思うから、最初から質問するなでした。
  最後の、No.40の話にある電気磁気学が多くの基本的な点で矛盾にある。そこからの光の特殊相対性理論の誤りを指摘している。その意味は光の観測上では基本的に相対速度となる。光が光速度一定で伝播する空間は人間の観測には無関係に存在し、その空間を光規定空間と定義付けた。その空間を人は認識できない。観測者自身がその光規定空間に対する速度を知る事は出来ないから。
  以上の観点から質問を提起させて頂きましたのは、他の方がもし見られてどのように思うかをご自身でお考え頂く場になればとの思いでした。

    補足日時：2015/09/23 22:43

No.21 回答者： s_hyama 回答日時： 2015/09/08 05:34

科学は反証可能性がないとそれは科学ではありません。

反証可能性（はんしょうかのうせい、英: Falsifiability）とは、科学哲学で使われる用語で、検証されようとしている仮説が実験や観察によって反証される可能性があることを意味する。
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%8F%8D%E8%A8%BC …

その観点から、相対論の光速度不変は、絶対静止座標系でない同じ慣性系の定義がないので、目の前の光速は常に一定といっても否定しようがありません。

その点私の上げた、同じ慣性系の条件は、重力が一様でなければ光速は変化しますし、相手との相対速度があれば周波数が変わります、ですからこうでない場合は反証可能性があります。

そういうことではないでしょうか？

この回答へのお礼

ありがとうございます。
『反証可能性』の意味が解ったかどうか心配ですが、一つ例を挙げてその意味を考えたいと思います。
例：ブラックホールの存在。ブラックホールが存在すると詳しくその内容や状況を、ＮＨＫラジオの夏の科学相談でも、子供の質問に専門家が真剣に答えていました。そのブラックホールの存在などを信じられないのですが、その学説に対して反論するには、反論するに足る実験的証拠を上げて反論しなければ、それは科学論ではないと言う科学論の論法かと理解しました。
それなら、マイケルソン・モーリーの実験が完全で、相対速度は本当に検出できる筈が無いのでしょうか。その結論には疑問が残ります。またその実験の結果に論拠おいて、そこから特殊相対性理論が唱えられたと解釈します。そこに√（1-β^2)によって、時間と空間を解釈する奇妙な論理が生まれたようです。『反証可能性』とは、学説が唱えられると、それに反証する厳密な実験的証拠が要求される仕組みが科学論の大きな壁となるように思えます。だからこそその壁が有って、科学論が信頼されるのだと言うことなんでしょう。しかしそうでしょうかと疑問も残ります。
そう言うことだから、一面ではなかなか科学の論理性は保証し切れないようにも思われます。特殊相対性理論の論理の根幹を成すのがマックスウエルの電磁場方程式であり、そこで電気現象は光の現象と同じだと言っているにも拘らず、電気回路の現象は全く光の速度などとは無関係のままの論理で解釈されております。物理学の根幹(電気磁気学)が曖昧な論理のままであるのも、その『反証可能性』の科学論証の難しさ故だからなんではないでしょうか。
以上の『反証可能性』の解釈に、そんなことで良かったのかと自信は無く、不安ではあります。
この度、『反証可能性』をお教え頂きまして考えさせて頂きました。
本当に有難うございました。今後ともよろしく願います。

お礼日時：2015/09/08 10:46

No.20 回答者： tknakamuri 回答日時： 2015/09/07 08:51

AN018の補足

「ネチケット 質問」
https://oshiete.goo.ne.jp/guide/netiquette/quest …

読んでおいたほうが良いですよ。
特に一番下。

この回答へのお礼

ありがとうございます。
〈ネチケット質問〉を読ませていただきました。
確かに私がする質問は、その意味では少し問題かとも思いますが、科学論の社会的な日本特有の意識下の問題でもあるようにも感じられます。
もし問題が有るようでしたら、そのようにお願いいたします。
出来るだけ異なる意見の、開かれた場であってほしいと願います。
特に科学論で。
お手数お掛けしますがよろしく願います。

お礼日時：2015/09/07 09:36

No.19 回答者： s_hyama 回答日時： 2015/09/06 23:56

相対論が間違っているというか、絶対静止座標系が使えないなら、まず基準系を定義するっていうのは当たり前な話でしょうね。

　むしろ絶対静止座標系を基準に座標変換をしてるのが特殊相対論でしょう。
そこに気づくべきでしょうな
つまり同じ慣性系の保障なしに光速度不変をいってるようなもの

この回答へのお礼

No.15 に続いてお答え頂きありがとうございます。
今回のお話は少し意味が理解できませんでした。
済みません。
ありがとうございました。

お礼日時：2015/09/07 09:44

No.18 回答者： stomachman 回答日時： 2015/09/06 21:47

ANo.8へのコメントについてです。

> また、どこか他所で議論と言われるが、この場所は誰にも開かれた場であれば、何処か他所でやりなされ＞と言うのは言い過ぎではないですか。

単に「相対性理論は間違ってる」という主張をなさりたいだけなんですよね。どんなに丁寧に説明をされようと、この主張だけは曲げないということが、最初っから決まっている。

ならば、それは質問ではない。だから他でやりなされ。お仲間は掃いて捨てるほどいますから。

この回答へのお礼

お手数をお掛けします。
確かに『特殊相対性理論』と言う『特殊』の意味が不要と言うことです。
光は普通の相対性で捉えるべきと言う解釈ですが、一般には書店などに並んでいる書籍はすべて『特殊』の相対性理論しかありません。それは社会的な科学書のすう勢であれば、とても気掛かりです。
一般の人や子供達が目にし、耳に聞く科学論はその関係の科学論が殆どです。そこで、このような一般の人が他の考え方に触れる場・機会はありません。その意味で同じ考えでない人との意見が有ることを理解し、それぞれに考えてもらう意味で質問させて頂いている訳です。そこに貴殿のような専門的なお答を頂くことが、みんなに異なる意見の有ることを知ってもらうことに貢献出来ようとの思いです。
悪しからずよろしくお願いいたします。
ありがとうございました。

お礼日時：2015/09/07 09:25

No.17 回答者： lupan344 回答日時： 2015/09/06 16:20

何か誤解されているようですが、慣性座標系というのは、アインシュタインが決めたものでは無いですよ。

ニュートン力学も慣性座標系を前提として組み立てられています。（したがって、光速よりかなり遅い領域では、ニュートン力学も相対性理論も同じ運動方程式が使えます）
要は、慣性座標系というのは、物体が外力を受けなければ、慣性運動を続ける座標系です。
相対性理論で、アインシュタインが説明したのは、慣性座標系はどれでも対等であり、どの慣性座標系を取っても、光速は一定であると言う事です。
慣性座標系自体が理解出来ないと、ニュートン力学も理解出来ないはずです。
同時にガリレイの相対性原理は、ほとんどの人が理解できるでしょう。（これが理解出来ないと、相対速度と言う概念自体がわかりません）
むしろ、ここまでは理解しているから、光速度一定に違和感を感じると言えます。
アインシュタインの特殊相対性理論は、光の速さ及び、光の速さに近い速度で運動する物体の運動方程式を説明しているだけです。（特殊の意味は、慣性座標系でのみ成り立つからです）
アインシュタインの等価原理については、一般相対性理論で必要な事項なので、光速度一定に関しては、特に必要無いです。（あくまで、特殊相対性理論だけの問題です）

この回答へのお礼

ご丁寧な解説有難うございます。
大体理解できました。特別慣性座標系などと言う必要もないように感じました。一つの運動体、月の表面での相対距離が変わらない限りで、電波伝送の問題を考えれば、少しも電波伝送信号も光の波長も受信者には変化は見えないと言うだけの話のように思います。それは衛星放送で、送・受信の信号に全く不都合は生じない訳で相対距離に変化が無ければ、波長の変化は生まれないと言うことでしょう。
問題として取り上げたい事は、ローレンツ変換√(Ⅰ－β＾２＾）で時間や距離が歪むと言う解釈がとても異様な論理と考えるのです。それが無ければ、それ程問題にしなくても良いかと思います。地球上で、光送信源から受信者までの伝播時間は相対的にどのような位置関係にあるかによって変化する筈です。しかしその関係を知ることは出来ない筈です。光の状態に変化は無いですから。光が空気の水蒸気含有量で、伝播形態も変化します。丁度地球表面は電気伝送線路の金属導体と同じ意味を持っていますから、電気エネルギーが導体周辺の近傍空間を伝送すると同様の意味で、伝送路が曲がると解釈しているだけであると考えます。
なお、地球上での電波伝播において、地球表面に沿って伝播伝送する問題は光が重力の影響で曲がると言う意味とは全く異なる現象でしょう。
光速度一定を定義する空間を地球（慣性座標系）表面に取る事はやはり厳密性で問題が有ると言わなければなりません。
重力波を否定する人は殆ど居ないかもしれませんが、やはりその辺に光の質量と言う概念が隠されているように思えて、私には信じられないお話です。
いろいろご指導有難うございました。

お礼日時：2015/09/06 18:19

No.16 回答者： lupan344 回答日時： 2015/09/05 21:36

質問の回答としては、他の回答者と同じくどの慣性系でも等しく、光速度一定の基準空間となり得ます。

慣性系の定義としては、静止又は等速度運動をする座標系です。（静止に関しては、実際は存在しないですが、仮想的にそのような状況も含むと言う事です）
地球表面にいる場合は、等速円運動なので、加速度系となりますが、地球の自転速度に対して、非常に遅い速さでの運動に関しては、慣性系と近似する事が可能です。
慣性系に関しては、用語しては義務教育レベルの教育で理解出来る範囲です。
一般市民レベルで理解出来ないとしたら、それは義務教育が成果を上げていない事になります。
ただし、教育を信じないと言うのも、個人の意思ですから、そういう人もいると言う事だと思います。
いわゆる、一般市民レベルがどのような人を想定しているかは不明ですが、相対性理論に関しては、かなりの啓蒙本も出版されていますから、大多数が理解していないとは言えないでしょう。
さすがに、重力が宇宙空間を伝搬しないと言う考えの人は、大多数では無いと思いますよ。（地球が何故、太陽のまわりをまわっているかは、重力以外に説明のしようは無いでしょう）
相対性理論以前に、ニュートン力学自体まで否定しないと、そこまで言えないでしょう。
地球表面の光伝搬空間の特殊性と言う用語を使われていますが、それは一般市民に理解出来る事なんでしょうか？（そこら辺の説明は、何も書かれていないのでわかりません）
一般市民に理解出来る、簡単な理論があるのならば、もっと昔の人がそれを考え付かなかったのは何故でしょうか？
もし、過去の物理学が間違っているのならば、何故間違えたのでしょうか？
相対性理論に関しては、いきなりアインシュタインが考え付いたわけでは無いです。
ローレンツ他、先人の研究が元にあります。
マイケルソン・モーレーの実験が失敗したのは事実です。
ただし、マイケルソン・モーレーは、光速が一定で無い実験結果を得ています。
何故失敗かと言えば、エーテルに対する光速の差が想定より少なかったからです。
そういう意味では、マイケルソン・モーレーの実験は、光速が一定であるとも、一定で無いとも言っていないんです。
ですから、マイケルソン・モーレーの実験が光速が一定であると証明したわけでは無いです。
現在は、その後の感度や精度を上げた実験で、光速が一定である事は、ほぼ実証されています。（地球上で実験しているので、その結果が地球の光伝搬空間の特殊性と言う事であれば、そうかもしれません）

この回答へのお礼

お答え有難うございます。
やはりアインシュタインが最初（？）に唱えた慣性座標系と言う概念が曖昧に様々な捉え方で使われているように感じます。慣性座標系と言えば、それで厳密性は問われずに通る通行手形のように感じます。
地球の運動でも、自転に因る表面速度は殆ど問題にならで、太陽軸での回転速度(公転速度)が毎秒３ｋｍを支配しています。マイケルソン・モーリーの実験も地球の運動(公転)速度、毎秒３ｋｍが光の速度に影響するかどうかを確かめる実験でした。手元にその原著論文の写しが有りますが、僅かな実験データしかありません。それだけでは何の論拠にもならないと思います。ただ実験の考え方は、その独創的な手法は素晴らしいと思います。地球の自転でなく公転速度で、解釈される訳だから、実験は宇宙規模でないと光の相対速度の解釈には何の証明にもならない筈です。
光が伝播すると言う現象を空間に描けるかという問題でもあります。光は人間の都合の理論で伝播などしないという原点に立って考えるべきと思います。兎角理論は人間の一つの解釈でしかないにも拘らず、それがあくまで宇宙の真理であるかの如く誤解することに大きな問題が有るのではないかと危惧いたします。
特殊相対性理論を光の伝播速度の解釈論として正しいと唱えるならば、具体的な問題としては、やはり｢慣性座標系｣と言う空間概念を誰でも分かるように解説することが必要でしょう。その程度の事なら数式無しで回折されれば、誰でも理解できる筈です。光の質量などと結び付けようとすると、理解できる解説は無理でしょう。
ありがとうございました。

お礼日時：2015/09/06 12:00

No.15 回答者： s_hyama 回答日時： 2015/09/05 21:12

エネルギー(kgm2s-2)であれば質量(kg)は言わずとして持っています。

相対論が古典なのは絶対静止を否定しておいて、静止の概念が古典のまま光速度基準にしているので矛盾を抱えます。
じゃあその光速度の基準系は示したとおりで、光速度cが基準になります。
たとえば物体は重心もって移動しますから、0→vですが、光速度基準からはc→w
たとえば光子は重心はありませんが重力場の影響を受け、光速度基準からはc→w
これは同じようなもので、基準はあくまでも光速度の不変系です。
これに対して、E0=h(f0)＝(m0)c^2、不変エネルギー、不変質量は光子でも物質でも同じです。

この回答へのお礼

No.13の続きとして、ありがとうございます。
エネルギーとは何かと言う事かも知れません。その単位を(kgm2s-2)と表現すれば、それは運動エネルギーに関連付けたエネルギーでしょう。エネルギーの単位・次元は[J]です。質量も光や熱が局所化した一つのエネルギーの形態でしかありません。だから質量の単位・次元は[JHF/m2]です。HFは空間の定数の単位ヘンリーとファラッドです。物理学のエネルギー概念が運動と位置の二つで解釈する点で、エネルギーを空間の実在量として捉えていない点が問題と考えます。
光子が空間的にどのような実在体かという問題でもあります。光も空間に実在する訳ですから、何らかの描像で捉える必要が有りましょう。光の空間的長さは一波長分で解釈すべきでしょう。そこから光の振動数とは何かともつながります。光には重力理論による力を受ける質量などありません。一粒の空間エネルギー分布体と考えれば、粒子性と波動性のジレンマも解決します。光の実体を空間的にどのように認識するかの問題でもありましょ。光は決して質量を持つ状態量ではありません。空間に分布するエネルギー体でしかありません。世界に存在する極限物理体と考えれば良かろうと思います。だから重力の影響を受けると解釈することは少し考え直す必要があると思います。
ありがとうございました。

お礼日時：2015/09/06 11:23

No.14 回答者： tknakamuri 回答日時： 2015/09/05 14:38

>重力の加速度が働く対象は一体何物と考えればよろしいのでしょうか。

加速度運動する人が慣性系で直進するものをみると曲って見える。

これはOK？

等価原理とは、重カの加わった系と加速している系は区別できず
本質的に同じものだとする大胆な原理。

ここから曲っているのは光ではなく時空の方という結論になる。
なので光に質量がある必要はないというのが
ー般相対論の結論です。

この回答へのお礼

何度もご意見を頂きましてありがとうございます。
やはり等価原理の意味を知りません。新しい用語、概念が自然の世界を解釈するに、それほど必要なのかと言うのが基本的認識です。
〈加速度運動する人が慣性系で直進する物を見ると・・〉
地球表面は光伝播に対しては相当特殊な環境と看做すべきでしょう。そこで、加速度運動すると定義する空間座標はどのような空間と認識されるのですか。地球表面を速度を上げながら加速する人がと言う意味ではないようにも感じますが、空間座標を厳格に誰もが理解できるように定義する上での議論と思います。ただ地球表面が重力場だからという意味では、光速度を論じる一般的定義空間として、その場での加速度と言うのであれば、それは不十分と思います。ですから申し訳ありませんが、その場での加速度する人と言う意味が理解できませんので、光を観測する、しない以前の問題でＯＫではありません。従って光が曲がる、曲がらないの空間的描像が描けません。
更に、光でなく時空が曲がると言う話に繋がる意味は、一般相対性理論の世界の常識のようですが、普通の市民感覚での世界認識には相当異次元の話に思えます。しかしその辺の意味が市民が理解できるように解説頂かないといけないのじゃないかと言う感じがします。もう一つ、慣性座標系と言う用語が常識語ですが、その意味も地球表面に張りついた話に限定したことで、光の伝播空間の一般論には成らないと理解しています。
力の運動論では、質量が無ければ、重力の影響を受ける訳はありません。そこのところの相対論の解説の問題かと存じます。今盛んに研究されている、『重力波』の問題にもつながる理論なのかと思いますが、その話、重力が宇宙空間を伝播するなどと言う話も理解できません。
ありがとうございました。

お礼日時：2015/09/05 19:19

No.13 回答者： s_hyama 回答日時： 2015/09/05 07:13

全方向に光速度っていうのは、重力場であれば一様っていうことはなく、その方向性がありますから重力の違いによりシャピロ遅延効果のように光速が変化します。

同じ周波数っていうのは、相手の物体が相対的に静止してなければ、ドップラー効果により周波数が変化します。

この回答へのお礼

No.12 と合わせて、お答え頂きありがとうございます。
確かにおっしゃる通り、余り『特殊相対性理論』の矛盾を取上げても議論にならないかもしれません。
シャピロ遅延効果と言うことを初めて目にしました。重力場での光速度遅延が有るとの話かと理解しました。光の速度を実験で検証することは至難の技でしょう。ＭＭ実験で否定されたと言う点ですが、JULY,1933 REVIEWS OF MODERN PHYSICS Vol.5 で　DAYTON C MILLER が詳細な実験をしています。ＭＭ実験が証明したとは言い切れないと思います。地球の運動速度との関係で、光の相対速度は検出できなかったという、余りにも安易にＭＭ実験の結果を検出実験の失敗でなく、その結果が絶対正しいと、そのまま受け入れた点に大いに疑問が残ります。そんな事はおっしゃる通り、議論しても無駄かもしれません。しかし、その『特殊相対性理論』によって、空間と時間が途轍もない異次元の世界の議論に組み込まれてしまって、日常の市民感覚で論議できない世界で科学論が遊離していることが心配です。
さて、シャピロ遅延効果に関することで、重力の場により光速度が変化すると言う点はそうであろうと思います。それは光の伝播空間の環境の影響を光エネルギーが受けるからだと思います。その事で理解できない点が有るのです。重力場での光の速度が変わると言う意味で、光に質量が有るか無いかは、重力論を議論する場合の市民感覚から考える基本になると思うのです。学校で習う力の意味は質量と重力あるいは加速度との関係で理解している訳です。この基本的解釈に因らないのであれば、光が受ける力は重力のどのような原理・方程式に因るかの説明が欲しいのです。それが基礎に基づく科学論と思います。
いろいろご指導有難うございました。

お礼日時：2015/09/05 12:27

No.12 回答者： s_hyama 回答日時： 2015/09/05 06:58

相対論の光速度不変には根拠がありませんからいくら議論しても観測は矛盾してないといわれるだけです。

だから無いものをいくら論じてもNot Even Wrongなんです。
まず絶対静止座標系はMM実験で否定されましたので、電磁気学の同じ慣性系で光速度は一定である基準系を回復しなければ根拠を失います。
たとえば、ある物体が静止しているといってもその基準がないんです。
同じ慣性系とは、ある周波数が全方向に光速度に同じ周波数で伝播する系です。
実はそのような慣性系は宇宙のどこにもありませんから、重力のあるたとえば地表で重力補正した無限遠などの無重力真空を仮想的に基準系とします。

ひゃまの飛んでもない光論より