相対論は光を構成する場の存続時間を見落としてますよね

Question

相対論は光を構成する場の存続時間を見落としてますよね。

『相対論思考実験のトリック』
https://note.com/abikonobuhiro666/n/nfdf7fa0ed859

結論から言うと、光速度不変の原理の「光速度」は光の伝播速度であり、光の伝播でないものを光の伝播として扱ったことがこの思考実験のトリックすなわち相対論のトリックである。

この思考実験で船外視点の光の伝播を表したと思われる斜めの矢印の、垂直成分は電場と磁場が交互に形成されていてこれは光の伝播だが、水平成分は場の移動であり、このようなものは光の伝播に存在しない。光の伝播速度と場の移動速度の合成は見かけの速度であり、見かけとは「実体がない」ということである。

光速度不変の原理の「光速度」は伝播速度か見かけの速度か。

0.8cで進む宇宙船の、後端から前方に発した光をa、前端から後方に発した光をbとする。

前者なら、aの見かけの速度は1.8cで内訳は「伝播速度1c・移動速度0.8c」bの見かけの速度は0.2cで内訳は「伝播速度1c・移動速度－0.8c」になる。

後者なら、aの見かけの速度は1cで内訳は「伝播速度0.2c・移動速度0.8c」bの見かけの速度は1cで内訳は「伝播速度1.8c・移動速度－0.8c」になる。

見かけの速度が不変の場合、船外視点では、宇宙船の、後方ほど時刻が進み、前方ほど時刻が遅れるので、宇宙船の天井から真下に発した光を構成する電場と磁場は後方上から前方下へ斜めに形成される。場が移動しなければ斜めに伝播するといえるが、船外視点で移動しないなら宇宙船(が静止している)視点で移動することになってしまう。斜めに伝播するといえるためにはまた、宇宙船視点と場の数が同じになるように場が斜めに伸びる必要があるが、これも船外視点で場が移動しないことが前提になる。重要なのは場のでき方ではなく場の移動であり、移動するなら移動速度があり、移動速度と伝播速度を合成した見かけの速度が不変なら伝播速度が変化するということである。

この思考実験で、船外視点の光の経路を表す、経時的に変化する「光の位置」すなわち「光を構成する場の位置」を結んだ斜めの矢印は、場(の部分)の存続時間を無視している。場の存続時間はゼロではないから、存在している間の場の位置を考える必要がある。場が光源の真下にあるという位置関係は絶対だから、船外視点で場は移動する。光を構成する場はその光が伝播する空間に対して不動だから、光を構成する場が不動のとき光はその空間を通ったといえる。場の移動とはすなわち空間の移動であり、場の消失後も「場が形成された位置」は光源の真下に存在し続け、それを結んだ矢印が唯一光が伝播によって進んだ実体ある真の経路である。

見かけの速度が不変の場合、船外視点では宇宙船の時間が遅れ、時間の遅れと前述の前後の時刻差によって伝播速度が変化する。aは進む先ほど時刻が遅れるのでなかなか進まずbは進む先ほど時刻が進むのでぐんぐん進む。宇宙船がほぼ光速で進むとき、つまり移動速度がほぼ1cのとき伝播速度はほぼ0cになり、天井から真下に発した光を構成する場は次の場を生まないまま何万年もほぼ水平方向に移動し続ける。一つの場がほぼ後方からほぼ前方に部分的に形成され続けるが、形成された部分は存在している間移動し、消失部と未形成部を含む全体の形状は宇宙船視点のそれと同じになる。

伝播速度は不変か変か。そもそもマクスウェル方程式が表す光速度は伝播速度ではなかったか。

変化するのは伝播速度か見かけの速度か。地球空間を進む光を地球で観測してもそれはわからない。

中略

船外視点で船外空間を斜めに進む光の電場と磁場の輪は移動することなくその場でできてその場で消えながら斜めの方向に形成される。船外視点で宇宙船空間を垂直に進む光の電場と磁場の輪は水平方向に移動しながら垂直方向に形成される。輪が同時に三個存在するとして、輪が形成された瞬間の画像を合成したとき、前者は斜めの鎖になり(図左)、後者は縦になった三つの輪の鎖が斜めに並ぶ(図右)。

側面が見える方の輪は前者は斜め後者は縦になっている。後者の例の斜めの矢印上がどうなってるかというと、輪が外れている場合もあり、いずれにしても鎖としては不自然で、光の伝播の体をなしていない。要するに後者の斜めの矢印には光の伝播としての実体がない。光がかりに鎖でなくても、いずれにしても光の伝播において光を構成する場が横滑りすることはない。

光が、通った空間と、通っていない空間は、光を構成する場の移動において非対称的であり、光が通った空間の伝播に絶対性がある。

phenylalanine · Accepted Answer

No.8にいただいたコメントに関してです。
＞何が振動しているのでしょう。

振動は伝播の必要条件ではありません。円偏波なら「電力」脈動はありませんし、直線偏波でも周波数に下限はありません。添付図のように、進行波アンテナに電池を繋ぎスイッチを閉じれば振動を伴わないステップ波形が空間に放射されるでしょう。長さLに応じてパルス長が維持される理屈です。「ファインマン物理学」の「電磁気学」には、実現性は無いが理解容易な、無振動波形伝播の解説があります。電磁波は形を変えずヌルヌル進行するだけです。
　これら古典解釈の電場や磁場は単なる計算道具に過ぎず、本質で無いかもしれません。しかし、それら単語を借用する限りは、システムのルールに従属するを得ないかと思います。あなた様の伝搬機構で波長無限大が受け入れられるでしょうか。

phenylalanine · Answer

＞光って電場と磁場が交互に形成されながら伝播するよね

この描像は必ずしも正しくないでしょう。
https://de.wikipedia.org/wiki/Elektromagnetische_Welle#/media/Datei:EM-Wave.gif
のように両者は交互の存在では無く、強度比維持のまま、ぬるぬる移動して行くのです。正弦波で描かれているので、場所固定で観測すれば電磁界が増減しますが、これも同時であって「交互ではありません」。さらに波形は任意で、脈動皆無でも良く、それは伝播の条件ではありません（脈動は放射源または、放射過程における周囲空間とのインピーダンス整合の都合です）。伝播過程で電場と磁場が「交互に形成」という雰囲気はありません。良くそのような表現が用いられるのは存じていますが。「光を構成する場の存続時間」をアニメーション上に示すとどんな具合でしょうか。

eatern27 · Answer

> 「光を構成する場の存続時間」です。
それじゃ定義になってないから聞いているんです。

定義というのは、誰もが同一の解釈になるものでなければいけません。その定義は「同一の解釈になる」と言い切れる客観的な根拠はあるのですか？「他の解釈は思い浮かばない」のような主観は根拠とは言えませんからね。

日本語(に限らず自然言語)には、その意味を一意に解釈する方法を決める推論規則がありません。なので、自然言語のままでは他の解釈がない事を証明のしようがなく自然言語は用語の定義には使え(い)ません。どうしても使いたいのなら、推論規則を明文化して頂くしかありません(もっとも、明文化してしまったら日本語とは別のものに成り下がりますが)

もちろん、本当に何でもかんでも定義を言っていたらキリがないので、読み手と意味を共有できる場合(ありふれた概念の場合)には自然言語による説明も許容されます。しかし、今は、貴方が「相対論で見落としている」とする、既存理論にない量の話をしているのです。読み手とその意味を共有できているという前提には無理があります。

自然言語だけではまともな証明を行えないので、自然科学では一般的には数学という言語を用います。相対論ならミンコフスキー幾何学です。

貴方の書いている内容は、ミンコフスキー幾何学に基づく話ではありません。少なくともミンコフスキー幾何学を知っている人に、ミンコフスキー幾何学でどのような計算をすれば良いのが伝わる内容ではありません。だから、貴方はご自身の主観の世界について述べているだけであり、相対論とは関係がないと言っています。

相対論と関係があると言うのなら、貴方がそう思っているという主観や主観の中身の話ではなく、相対論と関係がある【客観的な】根拠を挙げて下さい。どんな物が根拠になるのかわからないのなら、ミンコフスキー幾何学の言葉で「こういう量を考え、こんな計算をし、こんな結果を得た」という内容を書いて下さい。それが出来てない以上は、どんな結論になろうが相対論とは無関係の話です。

>あなたが言うべきは「光を構成する場の存続時間は0」とか「光を構成する場はすべての視点で不動」とかで、だから「相対論は光を構成する場の存続時間を見落としてなどいない。存在しないものを見落とすことはないからだ」です。

については検討違いとしか言いようがない。
#1に書いたのは、
・書かれている内容は相対論とは無関係の似非相対論について話である事
・(相対論について何も述べられていないので)相対論に関していかなる主張も結論されない事
の2点です。

似非相対論に関する貴方の主張が正しいかどうかは何も述べていませんし述べる意味もないので、わざわざ反証する必要が全くありません。

と言うより、貴方が「光を構成する場の存続時間」の概念の定義を与えてない以上、貴方の言う「光を構成する場の存続時間」が0であるかどうかを議論する事自体が不可能です。そんな状況で0である事を証明しなきゃいけないのなら、貴方の主張には反証可能性がない=科学でないと言わざるをえません。

なお、今回に限りませんが、
貴方はご自身の主張の誤りを指摘されると、条件反射で反証せよという事が多いように思います。
しかし、「その論理には誤りがある」という指摘と「その結論は誤りである」という主張は別のものなので、前者を言われてるのに後者を言われた前提の話をするのは論点がズレてる事を認識されるべきでしょう。

phenylalanine · Answer

No.5にいただいたコメントに関してです。
　No.3で図示の垂直ビームに少し現実味を持たせてみます。常識的指向性から口径は千波長程度としましょう。船外視点で、移動する光柱内部を縦横百波長サイズのスナップショットとして抜き出したとします。そこにあるのは、斜め下に伝播する平凡な電磁波（平面波）です。それが静止光源から来たか、移動光源から来たかの区別はつきません。仰る「存続時間」なるものは、波動方程式のどこに絡むのか良く判りません。従いましてコメント１，２に関する回答は「通常の平面波に準ずる」とさせてください。

phenylalanine · Answer

No.4 にいただいたコメント拝見しました。
「移動する場と言う実体」を換言すれば、船と共に移動するエーテルです。真空空間は、船内船外にとって共通中立です。一方に引きずられるような効果は無いという趣旨です。

phenylalanine · Answer

No.3 にいただいたコメント拝見しました。
　光は、船内/船外共通のものであり、慣性に支配される事も無いしエーテルも必要としない。船外視点て船と共に移動する座標は有用でも、移動する場と言う実体は無いでしょう。船外視点の波長に関し、輪ゴムの伸びのイメージをご提示ですが、単に「船内の時間テンポが緩慢に見える為、送出以前に周波数が下がり光の波長が長くなる」と解釈してはいけませんか。仰る「光を構成する場の存続時間」は、波長伸びを説明する際のギャップ埋め策と拝察しましたが、いかがでしょう。必要な概念でしょうか。私にはトリックと言われるものは発見できませんでした。

phenylalanine · Answer

＞船外視点の光の伝播を表したと思われる斜めの矢印の、垂直成分は電場と磁場が交互に形成されていてこれは光の伝播だが、水平成分は場の移動であり、このようなものは光の伝播に存在しない。

このご主張に誤りはありませんか。0.8c 移動の例は図示し辛かったので、v = 0.5c の様子を描いてみました。
　船の天井から垂直に放たれる連続な光ビームは、船外視点では時々刻々の垂直な柱（黄色）の移動です。しかし柱に含まれる波面（黒線）は船前後の時刻差由来で傾斜して送出されており、いずれの波面も斜めに光速で伝播しています。伝播はごく普通のものですが、移動する柱内から逸脱する事はありません。一つの波面の移動に着目すれば、図中赤線で示したように、相対論の説明でお馴染み光パルスの伝播経路に一致します。
　船外視点で波長は船内視点より伸びますが、船内時間のテンポが 1/γ に見え、光の周波数が下がる事と相容れます。光の床への到着の瞬間や、天井から床までに含まれる波の数は、船内船外で一致します。

eatern27 · Answer

はぁ、じゃあ試しに
「光を構成する場の存続時間」
の定義を正確に書いてみてください。

なお、「直感的なイメージが湧く書き方をした日本語」は定義と言いません。つまり、もっと平易な日本語で言い換える事を要求している訳ではないので、その点は誤解しないように。

eatern27 · Answer

漠然としたイメージを基に連想ゲームをする中で、「光を構成する場の存続時間」なる概念が必要になったという事なのでしょうが、その事は相対論において必要かどうかとは何も関係のない話です。

相対論は光を構成する場の存続時間を見落としてますよね

No.8にいただいたコメントに関してです。

＞光って電場と磁場が交互に形成されながら伝播するよね

> 「光を構成する場の存続時間」です。

No.5にいただいたコメントに関してです。

No.4 にいただいたコメント拝見しました。

No.3 にいただいたコメント拝見しました。

＞船外視点の光の伝播を表したと思われる斜めの矢印の、垂直成分は電場と磁場が交互に形成されていてこれは光の伝播だが、水平成分は場の移動であり、このようなものは光の伝播に存在しない。

はぁ、じゃあ試しに

漠然としたイメージを基に連想ゲームをする中で、「光を構成する場の存続時間」なる概念が必要になったという事なのでしょうが、その事は相対論において必要かどうかとは何も関係のない話です。

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