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光速度不変の法則がよくわかりませんが、例えで、あり得ない話ですが、スーパーマンが秒速30万㎞で移動していたとします。その隣で同じ方向の光を見ても、光も秒速30万㎞のスピードだそうです。YouTubeで見ましたが、理由が分かりません。教えてください。

A 回答 (10件)

光速度不変というのはアインシュタインが考えたアイデア。


そうなっていることを発見したのでなく、そう考えるとこの世の不具合が解消できる、という程度のもの。

どういう不具合かというと。
光速度が秒速約30万キロというのは相対論でなく電磁気学から導かれるもの。
マクスウェルの電磁方程式というのがあるが、ここから「定数」として導かれる。
「定数」であるから、どの座標系から見ても光速度は30万キロでなければならない。
静止している座標系から見ても30万キロ。
秒速20万キロで等速直線運動している座標系から見ても30万キロ。
でないと光速度は「定数」でなくなる。

光速度が定数で亡くなればマクスウェルの電磁方程式も崩壊する。
電磁方程式の信奉者だったアインシュタインとしては、これは絶対に阻止しなければならなかった。

静止している座標系から見ても30万キロ。
秒速20万キロで等速直線運動している座標系から見ても30万キロ。
このとんでもない現象を説明するには、この世の運動を構成する時間、距離、速さのうち時間と距離が変化してもらわないといけない。
こうしてローレンツ変換に基づく「運動している相手の時間が遅くなる」「運動している相手の長さ(距離)が縮む」という結論が導かれる。

繰り返すが、光速度不変はあくまでアインシュタインのアイデアである。
しかしそう仮定しないと、この世は奇妙な現象で満ち溢れることになる。

たとえば、天体Aに別の天体Bが直角に秒速10キロで衝突するとする。
もし光がニュートン力学的速度の加法則が適用できるとするなら、天体Aから放たれる光と天体Bから放たれる光には秒速10キロの速度差ができる。
(天体Bの運動方向に、である)
その運動方向に地球があれば、天体Bの光が先に届き、その少し後に天体Aに光が届くことになる。
つまり、地球人にはこういう光景が見える。
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天体Aが静止しているところに天体Bが向こうから突進してきた。
ところが天体Bは何もないところで突然巨人の爪で引き裂かれるように四散してしまった。
続けてその同じ場に天体Aが進んでき、やはり天体Bと同じように砕け散った。
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この時間差が1秒あれば、どんな人間も「同時に」起こったとはみなさないだろう。
10キロの速度差が1秒つまり1光秒に開くにはどのくらいの距離が必要か。
1光秒は30万キロだから、10キロの速度差は3万秒あれば1光秒に開く。
距離に直すと90億キロである。
海王星軌道は約45億キロだから、その2倍のところですでにこういう現象が現れる。
時間差を0.5秒にすればまさに海王星軌道上のことになる。
さらに精度の良い観測機を揃えれば、上記の現象は月や人工衛星軌道でも観測されることになる。

これが、光速度不変のもう一つの理由、すなわち観測面からの要請である。
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この回答へのお礼

長い、解説ありがとうございました。
すぐは、理解できませんでしたが、何回も、ゆっくり読ませていただきます。感謝しております。

お礼日時:2023/12/01 17:32

ちなみに(真空中の)光の速さが一定となる事自体は、電磁気学の基礎方程式であるマクスウェル方程式から理論的並びに実験的に分かっていました。

ただしここで言う「光の速さが一定」と言うのは後述するように光速度不変の原理そのものではなく、言わばそのプロトタイプのようなものです。

実はマクスウェル方程式と言うのは一つの方程式ではなく四つの方程式の総称なのですが、これらの式を一定の条件の下に組み合わせて書き直すと、波動方程式と呼ばれる波を表す方程式の形になります。そしてマクスウェル方程式から作った波動方程式が表す波は「電磁波」と呼ばれますが、電磁波の速度cが

c=1/√(ε0μ0)

となる事が式から読み取れます(ε0は真空の誘電率、μ0は真空の透磁率)。そしてε0とμ0の値から計算したcの値が光の速さと同じになる事から「光は電磁波」と言う事が分かりました。ところでcの値を決めるε0とμ0はどちらも定数すなわち一定値なので「光の速さは一定」と言う結論が導き出されました。

ところで速さと言うものは基本的には「誰から見たものか」すなわち「誰にとってのものか」によって変わるものです。例えばお魚くわえたドラ猫が時速80kmで逃げている時(ってチーターかい!)、それをサザエさんが時速40kmで追いかけていたとすると、サザエさんにとってのドラ猫の速さは80マイナス40で時速40kmになります。一方マスオさんがドラ猫の走る方向とは反対に時速40kmで走ったとすると、マスオさんにとってのドラ猫の速さは80プラス40で時速120kmになります。このように速さは「どんな人にとってのものか」によって値が変わる事になります。

ところでマクスウェル方程式からの結論は「(真空中の)光の速さcは一定」と言うものでしたが、当初から「このcと言う値は誰にとってのものか」が議論になっていました。そして当初はニュートンが考えた「絶対空間」に対して静止している「絶対静止系」と言う立場にいる人から見た速さがcと言う値だと考えられていました。すなわち光速度不変の原理が主張するような「誰から見ても光の速さは同じ」と言うものではなかった事になります。

(これが「光速度不変の原理のプロトタイプ」と呼んだ理由です)
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この回答へのお礼

ありがとうございました。

お礼日時:2023/12/03 18:44

有名な「マイケルソン・モーリーの実験」のお話を読んでいただくしかないと思います。



https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%9E%E3%82%A4 …
https://asem.kyushu-u.ac.jp/qq/qq02/kikanbuturi2 …
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この回答へのお礼

ありがとうございます。

お礼日時:2023/12/02 14:33

基本的には「測ってみたらそうなってるんだから仕方ないじゃん! 文句あるなら神様にでも言ってよ!」と言う話です。

少なくとも相対性理論では光速度不変の原理は数学で言う公理に当たるものであって、運動方程式と同じく他の法則から導き出せるものではありません。
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この回答へのお礼

ありがとうございました。

お礼日時:2023/12/02 10:47

日常感覚で理解するのは難しいですよ。

まず、光速度不変の法則なんてありません。あれは定理であり仮説であり観測結果です。理由とか証明とか考えるものではないのです。

特殊相対性理論が生まれた背景を、時代とともに追うとはっきりします。

19世紀後半、マクスウェルによって、電気と磁気の現象が方程式としてまとめられ、電磁波という電気的振動が空間を伝搬し、その速度は光速であり、光もまた電磁波の一種であるとわかった。

一方で、マクスウェルの光速度が全ての観測者に対して不変という考えは、ニュートン力学のガリレイ変換と矛盾するため、マクスウェルの方程式が間違ってるとされたのです。

また、光が波なら何らかの媒体があるはずと、みんなで必死になってエーテルを発見しようとして、光速を実験的に測定したのが、有名なマイケルソンモーリーの実験です。

すると不思議なことに、エーテルは発見されず、光速はどのような系から観測しても同じ値。ならば、もしかするとマクスエルの方程式が正しくて、ガリレイ変換を修正すべきなのでは??と、多くの人が考えるようになったのです。

マクスウエスの方程式を観測者によって不変にする数学的な変換式は、ちょっと式をいじれば、辻褄合わせですぐに発見できます。その変換は、現在ローレンツ変換と呼ばれているものです。

しかし、ローレンツやポアンカレなど、実に多くの学者がその変換の解釈に挑んだにも関わらず、その物理的意味がわからなかった。その変換をすれば、マクスエルの方程式が座標変換に対して不変になるというだけだったのです。

そこで現れたのが、天才アインシュタインです。

彼は、まったく違う思考回路で、

特殊相対性原理
光速度不変の原理

というたった2つの原理をもとに、マクスウェルの方程式とは別に、ローレンツ変換を導いてしまった。つまり、この2つの前提を置けば、この世の中の、光、電磁波に関する現象や、これまでのニュートン力学との矛盾が、いとも簡単に説明できてしまうのです。

その理論を、特殊相対性理論と言います。その座標変換を、ローレンツ自身は説明ができなかったのに、リスペクトでローレンツ変換というのです。

特殊相対性理論により、系により同時性が失われ、時間や空間が伸び縮みすることなどがわかった。今のところこれが、世の中の現象を上手く説明できている。だとすれば、最初に仮定した2つの原理は正しいとしよう。これが物理学的な回答です。光速度不変に理由などないのです。

なお、質問の例は、スーパーマンが光速で走れば・・・ですが、質量があるものは、光速で移動することは絶対にできません。それが、相対性理論の結論です。なので、質問自体が無意味になります。Youtube は詳しく見ていませんが、あくまでなんちゃって物理の比喩にすぎませんから、それをいくら考えても、真理にはたどり着けないのです。
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この回答へのお礼

ありがとうございます。

お礼日時:2023/12/02 14:34

考え方が逆だからかな?w



まず、光の速度がどれも同じっていう現象が発見されたんです。だから『光速度不変の法則』なのです。をれを頑張って説明した、それがアインシュタインの相対性理論なのです。

物理学を少しかじって、理論があって、その通りに世の中ができていると勘違いしている人も居たりしますが、これは全くナンセンスな考えでしかないものです。

スーパーマンが秒速30万㎞で移動するというのは不可能なんですよ。その不可能を考えて、ほらおかしい結果になる、こんなの間違えてる、みたいなことを言う人がいますが、そもそも出来ないことを考えてるのがオカシイのですよねw

正しい話をします。30万㎞離れたA点とB点があるとします(宇宙のどっかにつくってくださいw)。ロケットでA点からB点まで1時間で飛ぼうと思ったら、なんとかいけそうな気がしますねw 1分では?なんとか頑張れそう? では1秒は?いけそう?無理そう? じつは1秒もいけちゃうんですw(ちなみに言うと0.1秒でもいけちゃったりしますw)。でもこの1時間とか1分とか1秒ってのはロケットに乗っている人にとっての時間なのです。
A点からB点まで30万㎞離れています。そこをロケットに乗ってA点を通過した1秒後にB点を通過しました。これは可能なのです。しかしこれをロケットの外でA点とB点の中間くらいで見てる人がいたとすると、この人はロケットがA点からB点に行くまでに1秒よりもっと多くの時間が掛かっているように観測するのです。
ロケットに乗ってる人が「オレは光速を超えた!」と言っても、外で見てる人が「何いうてんねん、光よりクソ遅いやんけ」と言うようなものですね。
ちなみにもしこの時、ロケットに乗ってる人がA点とB点の距離を計れば、30万㎞より短い距離になります。つまり彼は光速を超えたのではなく、1秒で移動した距離(A点とB点の距離)は30万㎞より短かかったというだけのことになってしまうのですw
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この回答へのお礼

ありがとうございます。

お礼日時:2023/12/02 14:35

「法則」なので理由は不明です。


マイケル・モーレーの実験、連星パルサ一の観測、
原子時計発明後の様々な実験等々で観測された
事実です。

それに合うよう時空の性質を考え直したのが特殊相対性理論です。
理解するにはこいつを勉強するしか無いです。
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この回答へのお礼

ありがとうございます。

お礼日時:2023/12/02 14:36

「スーパーマンが秒速30万㎞で移動していたとします。

その隣で同じ方向の光を見ても、光も秒速30万㎞のスピードになる」と仮定しないと、
「地球上を含む 宇宙全体の 速さ・距離・時間 が うまく説明できない」、
と言う事で、現在も それで 矛盾が起きていないので、そういうことになっているのです。
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この回答へのお礼

そういう事なんですね。分かりやすいです。
理解、出来ました。ありがとうございました。

お礼日時:2023/12/01 18:44

映画「猿の惑星」で宇宙船に乗って2年後に到着したのが、300年後の地球だった・・・ってやつ、疑問に思いませんでしたか?

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この回答へのお礼

ありがとうございました。

お礼日時:2023/12/01 17:33

光速度不変と言うのは、特殊相対論を構成する原理の一つです。


証明すべき対象ではありません。
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この回答へのお礼

ありがとうございました。

お礼日時:2023/12/01 17:33

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