光の速度

Question

光の速度ってどうして一定なの。光が走っている先端てみれないのに速度測れるの？

kothimaro · Accepted Answer

「光速度不変の原理」とは、静止して光を観測しても移動しながら光を観測しても、光の速度は秒速30万キロと測定されると言うものです。
 　例えば、時速100キロの電車を静止して観測すると、その速度は時速100キロです。しかし、時速50キロの車で追いかけながら電車を観測すると、電車の速度は時速50キロと測定されます。時速50キロの車に乗って電車と対面する形で観測すると、電車の速度は時速150キロと測定されます。

移動する車から見た電車の速度を、電車の相対速度と言います。「光速度不変の原理」とは、光の相対速度は秒速30万キロで不変であると言うものです。つまり、光を秒速15万キロで並走しながら観測しても、同速度で光と対面する形で観測しても、光の相対速度は秒速30万キロで変らないというのです。これは、常識に反するため、大変理解しがたいのです。

ではなぜ、この様な考え方が必要だったのでしょうか。
 　電磁気力は、光の一種である電磁波が、電荷を帯びた物質間を往復することで生じます。そして、電磁気力の強さは物質間の距離の2乗に反比例します。つまり、電磁波が物質間を往復するのに要する時間の2乗に反比例するのです。
 　電荷を帯びた2つの物質が並走しながら電磁波を交換すると、静止している場合に比べて、電磁波の往復距離は長くなります。即ち、電磁波の往復に要する時間が長くなるので、生じる電磁気力の強さは弱くなる筈です。
 　しかし、現実には、静止していても移動していても、生じる電磁気力の強さは変りません。

この謎を説明するために、アインシュタイン博士は、移動する2つの物質から見た電磁波の相対速度は、秒速30万キロで不変であると考えたのです。これで、静止していても移動していても、電磁波は同じ時間で物質間を移動します。だから、生じる電磁気力の強さは、物質の移動速度にかかわらず不変となると説明しました。

しかし、幾らなんでも、秒速30万キロの光を秒速15万キロで追いかけても、同速度で光と対面しても、光の速度は秒速30万キロで変らないと言うことは理解出来ません。

そこで次のような思考実験を行います。
 　電荷を帯びた2つの物質を、一本の剛体の両端に取り付けます。そして、この装置を秒速vキロで移動させます。この2つの物質間を電磁波は往復します。
 　この時、電磁波の移動距離は、進行方向(横方向)に剛体棒を向けた時静止時の1/（1－ｖ＾2/ｃ2)倍、上下左右方向(縦方向)に向けた時静止時の1/√(1－ｖ^2/ｃ^2)倍となります。
 　一方、秒速vキロで移動する物質は「ローレンツ収縮」し、横方向に√(1－ｖ^2/ｃ^2)倍短くなります。従って、剛体棒の長さは、横方向に√(1－ｖ^2/ｃ^2)倍短くなるので、電磁波の横方向の往復距離は、静止時の1/（1－ｖ＾2/ｃ2)×√(1－ｖ^2/ｃ^2)=1/√(1－ｖ^2/ｃ^2)倍と、縦方向の往復距離と同じとなります。
 　この仕組みにより、マイケルソンとモーレーの実験では、縦方向に往復させた光と横方向に往復させた光とが、同時に戻ることが出来たのです。

従って、秒速vキロで移動する場合、電磁波の往復距離は静止時に比べて1/√(1－ｖ^2/ｃ^2)倍となります。つまり、電磁波の往復時間は、静止時の1/√(1－ｖ^2/ｃ^2)倍となります。

一方、高速で移動すると物質は動き難くなります。この現象は、粒子を加速器で加速する際に見られます。粒子は光速に近づく程、加速し難くなります。秒速vキロで移動すると、静止時の√(1－ｖ^2/ｃ^2)倍しか動けません。従って、時計は1秒間に√(1－ｖ^2/ｃ^2)秒を刻む様になります。

こうして、秒速vキロで移動する慣性系では、電磁波の往復に要する時間は、静止時の1/√(1－ｖ^2/ｃ^2)倍×√(1－ｖ^2/ｃ^2)倍=1倍となります。つまり、電磁波の往復に要する時間は、移動速度に関係なく不変なので、生じる電磁気力の強さも移動速度に影響されず不変なのです。

この様に、現実には往路と復路の光速度は異なりますが、物理学の計算上一々往路と復路の光速度よりそれに掛る時間を計算し、生じる電磁気力の強さを求めることは無駄です。
 　生じる電磁気力の強さは、電磁波の往復に要する時間の2乗に反比例するのであり、往復に要する時間は不変なのですから、往路と復路共に光速度不変と仮設して計算します。

その様に仮設したのがローレンツ変換
 ①t’= (t－Vx/C^2) / √（1－ｖ^2/ｃ^2）
 ②x’=(x－Vｔ)/√（1－ｖ^2/ｃ^2)
 ③y’= y　④z’= z　⑤C’=C
 です。

物質は質量があるので、上記のとおり高速で移動すると動き難くなりまたローレンツ収縮する為、光速度が不変と測定されます。
 　x=光の進んだ距離=Ct㎞、t=光の進んだ時間、V=もう一方の光の速度=C㎞/秒を①と②に代入すると
 x'÷t'=C
 と光速度不変となります。

この様に、高速で移動すると時計が遅れ定規が収縮するので、V慣性系では時間と空間の座標が変化するのです。決して、時間と空間そのものが変化する訳ではありません。
 時間と空間は絶対であり、光速度は物質が変化するので、不変と観測されるだけです。

詳細は、下記のホームページを参照下さい。
http://www.geocities.jp/labyrinth125064/kousokudofuhennnogennri1.html

satoumasaru · Answer

はじめまして

光の速度（正確には真空中の速度）が一定なのは自然がそうなっているからとしかい言えませんね。
なぜかわからないけれど、自然がそうなっているというのは光速度だけではありません。
プランク定数や万有引力定数、アボガドロ定数等々たくさんあります。
それを物理定数といいます。

それと、距離と所要時間がわかれば、電車でも先頭車両が見えなくても速度はわかりますよね。
光速度の計測方法もいろいろありますが、距離と所要時間を計測して決定しています。

物理定数（wiki)
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%89%A9%E7%90%86%E5%AE%9A%E6%95%B0

nak_7000 · Answer

うーん、光の速度というのはちょっとちがうよね。299792458 m : s つまり光が約30万キロ移動するのに要した時間を秒とするので、、空間は歪んでいるし私達ここにも時間はずれてるってことでしょ。つまりじっとしてる人よりは空間を広く移動している人の方が(見かけ)長生きすると、、

isoworld · Answer

話は多少、本筋からズレますが、いまから３５年以上前に私が光通信の実験（光ファイバーの中を光を走らせる実験）をしていたとき、光って遅いなって感じましたよ。
１ｋｍの長さのある光ファイバーの一端から光のパルス（一瞬だけ光る光信号）を入れ、他端から出てくるその光をオシロスコープなどで観察するわけです。そうすると１ｋｍ走る光の時間が測定できます（光ファイバーのコアという部分を光が走るので、その材質の屈折率分だけ光速は遅くなりますけれど）。私のようなエレクトロニクス屋の感覚からすると、その間の時間というのはものすごく遅いんですよ。

konjii · Answer

レーザーによる測定  （エベンソン、1973）がもっとも正確に測れます。
周波数ｆ　原子時計との比較
 波長λ　　干渉を用いて精密計測
ｃ＝ｆλにより、光速を計算
月と地球の距離は、アメリカ人が月に地球に向けて置いた鏡でレーザー光線が、地球から発射してその鏡で反射して戻ってくるまでの時間で
正確に測ることが出来ました。
＞光の速度ってどうして一定なの。
そのようにしておくといろんな物理現象が上手く説明できるからです。

chiha2525-- · Answer

光の速さはどうやって計られているのだろう？　そう疑問を持つことはとても大切なことだと思います。それは、誰かから聞いた光は一定という話を鵜呑みにするより、よほど重要なことなのです。

歴史的な話から非常に細かいところまで、調べてみれば色々とわかるでしょう。例えばwikiの光の項を読むだけでも色々わかります。
光は波（の性質も持つ）なので、波を使って計るのが簡単なのですが、波の速さ＝光の速さではない光もあったりして、その部分だけ読んだりすると混乱することがあります。（ちなみに光の速さは、波の速さではなく光頭（光の先端）の速さです。）

光の速度が一定であるのは、この世を測定して分かったことです。何故一定なのかは分かりません（ちなみに光で代表されていますが、実際には全てのものごとの伝達速度の上限であり、その速度で光も（重力も、他の情報や因果も）伝わるということです）。

doc_somday · Answer

理由は不明で、質量の無い存在だけが光速で走れる。だから重力子は光速で走る。速度を測るのは現在とても簡単、だから速度νは299792458ｍ/ｓという「定数」と定義されている。

GOMΛFU · Answer

一定ではありません。真空と水中では水の中のほうが遅くなります。

光の速度

はじめまして

うーん、光の速度というのはちょっとちがうよね。

話は多少、本筋からズレますが、いまから３５年以上前に私が光通信の実験（光ファイバーの中を光を走らせる実験）をしていたとき、光って遅いなって感じましたよ。

レーザーによる測定 （エベンソン、1973）がもっとも正確に測れます。

光の速さはどうやって計られているのだろう？ そう疑問を持つことはとても大切なことだと思います。

理由は不明で、質量の無い存在だけが光速で走れる。

一定ではありません。

「光速度不変の原理」とは、静止して光を観測しても移動しながら光を観測しても、光の速度は秒速30万キロと測定されると言うものです。

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