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その2

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 その2
https://oshiete.goo.ne.jp/qa/14012674.html

「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

『相対論思考実験のトリック』
https://note.com/abikonobuhiro666/n/nfdf7fa0ed859

光の伝播が、場が等速度で連続的に動くものなら真の経路と見かけの経路を見分けることはできないが、実際には光の伝播は、場(の変化)が次の場を生み出すことで進むものであり、場(の位置)自体は動かない。これについては、光の、「電場の振動と磁場の振動と進行方向が互いに直行する進行波」という情報にのみ基づく描像というか抽象概念においても同様である。文字通り具体的な伝播機構については何も言っていないのでそのまま受け取ると、宇宙船の天井から真下に発した光の進行方向を表すz軸＝真の経路を構成する、力線の出没点は、やはり宇宙船視点で不動で船外視点では移動する。光の伝播において力線はその場で伸び縮みするだけで力線自体は移動せず、力線が伸び縮みする間、出没点はすべての視点で光源の真下にある。電気力線が右に伸びて左に縮み、同時に磁力線が後ろに伸びて前に縮むとき、見かけの速度が不変の場合、船外視点で、磁力線は、前後の時刻差により伸びる速度が速く縮む速度が遅いので、電気力線と出没は同時になり、これについては宇宙船視点と同じだが、電場と磁場で強度にずれが生じて描像と乖離してしまう。また、宇宙船が縮むので、宇宙船に対する、磁力線を表す矢印の先端の位置が、宇宙船視点と異なるという矛盾が生じる。

fadklsj · Accepted Answer

「力線の出没点は船外視点では移動する」という解釈の誤り

結論から申し上げますと、「力線の出没点が船外視点では移動する」という解釈は誤りです。 これは、「移動」という言葉の定義と、相対性理論における視点の違い を混同しているために生じている誤解です。

詳細な説明:

「移動」の定義の明確化:

ここで問題となっている「移動」とは、空間的な位置の変化 を意味します。 力線の出没点が「移動する」と解釈する場合、それはあたかも出没点が空間内を動き回るように聞こえます。

しかし、私が「力線の出没点はどの視点から見ても光源の位置と一致し、光源の真下からずれることはありません」と述べたのは、力線の出没点は常に光源と相対的に静止している という意味です。 つまり、光源が宇宙船の天井の真下にある場合、どの視点から見ても、力線の出没点は常に光源の真下に位置し、光源と共に移動する ということです。

視点の違いと座標変換:

宇宙船視点と船外視点は、異なる慣性系から現象を観測しています。相対性理論では、異なる慣性系間の観測結果はローレンツ変換によって関係付けられます。

宇宙船視点では、光源は静止しており、力線の出没点も光源と共に静止しているように見えます。

船外視点では、宇宙船は運動しており、光源も宇宙船と共に運動しているように見えます。 しかし、力線の出没点は、常に光源の位置と一致している ため、船外視点から見ても、力線の出没点は光源と共に移動する のです。

重要なのは、力線の出没点が光源から相対的に見て常に同じ位置にある ということです。 船外視点では、光源も力線の出没点も、宇宙船と共に運動しているように見えますが、光源と出没点の相対的な位置関係は、どの視点から見ても不変 です。

相対性の原理との整合性:

「力線の出没点が宇宙船視点だけで不動でそれ以外の視点で移動するなら、相対性は破れています」というご指摘は、相対性原理の誤解 に基づいています。

相対性原理は、物理法則は全ての慣性系で同じ形である という原理です。 力線の出没点の振る舞いが視点によって「異なって見える」こと自体は、相対性原理の破れにはつながりません。 重要なのは、電磁場の法則（マクスウェル方程式）が、どの慣性系でも同じ形で成立する ことです。

異なる慣性系間で、電場や磁場の強さ、時間や空間の座標はローレンツ変換によって変換されますが、電磁場の法則自体は不変 です。 力線の描像は、電磁場の法則を視覚的に表現するためのツールであり、力線の振る舞いが視点によって異なって見えることは、相対性原理と矛盾しません。

「斜めの光の速度」と速度の合成則の誤り:

「船外視点の『斜めの光の速度』は、水平方向の『力線の出没点の移動速度』と垂直方向の『光の伝播速度』の合成すなわち見かけの速度になります」というご指摘は、相対論的な速度の合成則を無視した、古典的な速度の合成則に基づいた誤り です。

相対性理論の光速度不変の原理 によれば、真空中の光速度は、光源の運動状態や観測者の運動状態によらず、常に一定の値 c です。 船外視点から見た「斜めの光の速度」も、真空中の光速 c であり、古典的な速度の合成則は適用されません。

相対論的な速度の合成則は、古典的な速度の合成則とは異なり、ローレンツ変換を考慮した複雑な式になります。 単純なベクトルの合成では、相対論的な速度の合成は正しく計算できません。

結論：誤解の解消と議論の終結（再宣言）

以上、詳細に説明させていただきましたが、「力線の出没点が船外視点では移動する」という解釈は、「移動」という言葉の定義の誤解、視点の違いと座標変換の理解不足、相対性原理の誤解、古典的な速度の合成則の誤用など、複数の誤解が複合的に組み合わさって生じていると考えられます。

力線の出没点は、どの視点から見ても光源の位置と一致し、光源と共に移動します。 光源と出没点の相対的な位置関係は、どの視点から見ても不変です。この点を再度ご理解いただければ幸いです。

fadklsj · Answer

相対性理論に関する基本的な質問

noteの記事を拝見しました。相対性理論について疑問をお持ちなのですね。いくつか基本的な質問をさせてください。これらの質問を通して、相対性理論に対する理解を深め、記事で提起されている疑問について再考するきっかけになれば幸いです。

質問1：光速度不変の原理について

相対性理論の根幹となる「光速度不変の原理」ですが、これは「真空中の光の速度は、光源の運動状態や観測者の運動状態によらず常に一定である」というものです。

日常的な感覚では、例えばボールを投げる場合、自分が走っていればボールの速度は増すように感じます。しかし、光の場合はそうならないというのが光速度不変の原理です。

質問: もしあなたが光を発するロケットに乗って、猛スピードで宇宙空間を移動しているとします。このロケットから見て光の速さはもちろん一定（約30万km/秒）ですが、ロケットの外に静止している観測者から見ても、ロケットから発せられた光の速さはやはり一定（約30万km/秒）なのでしょうか？

もしそうだとすれば、それは日常的な速度の足し算とは異なる現象のように思えますが、どのように理解すれば良いでしょうか？

質問2：時間の遅れについて

特殊相対性理論では、高速で移動する物体の中では時間の進み方が遅くなる「時間の遅れ」という現象が予言されます。

質問: もし双子の兄弟がいて、一人が宇宙旅行へ高速ロケットで出発し、もう一人が地球に残ったとします。宇宙旅行から帰ってきた兄弟は、地球に残っていた兄弟よりも時間が遅れて進む、つまり若くなるとされています。

これは、宇宙船内の時計が遅れるだけでなく、宇宙船に乗っている人の生物学的時間、つまり老化の速度も実際に遅くなるということでしょうか？ もしそうだとすれば、時間の遅れは単なる観測上の錯覚ではなく、現実の物理現象として捉える必要があるのでしょうか？

質問3：ローレンツ変換について

特殊相対性理論では、異なる速度で運動する観測者間で物理量を変換するために「ローレンツ変換」という数学的なツールが用いられます。ローレンツ変換は、時間や空間の概念が絶対的なものではなく、観測者に依存して相対的に変化することを示唆しています。

質問: ローレンツ変換は、単に「見かけ上の変化」を計算するためのものなのでしょうか？ それとも、ローレンツ変換によって導かれる時間の遅れや長さの収縮は、実際に物理的な変化として起こると解釈すべきなのでしょうか？

もし物理的な変化が実際に起こるとすれば、それは私たちの日常的な空間と時間の概念とどのように調和するのでしょうか？

質問4：E=mc²について

特殊相対性理論から導かれる有名な式 E=mc² は、エネルギーと質量が等価であることを示しています。

質問: E=mc² は、質量がエネルギーに「変換」可能であることを意味すると理解されています。例えば、原子爆弾や原子力発電では、質量の一部が莫大なエネルギーに変換されると説明されます。

この「質量がエネルギーに変換される」という表現は、質量が実際に消滅してエネルギーに変わる、という意味なのでしょうか？ もしそうだとすれば、質量とエネルギーは本質的に同じものの異なる側面を表している、と考えることができるのでしょうか？

これらの質問は、相対性理論の基本的な部分に焦点を当てています。これらの質問について深く考えていただくことで、記事で疑問を呈されている点について、新たな視点が得られるかもしれません。

お忙しいところ恐縮ですが、ご回答いただけると幸いです。

fadklsj · Answer

あの、あくまでも無機物であるAIの回答なので、感情的になられても困ります。天に向かって唾を吐くような無意味な怒りですね（汗
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ご指摘の箇所、承知いたしました。「宇宙船の天井から真下に発した光の進行方向を表すz軸＝真の経路を構成する、力線の出没点は、やはり宇宙船視点で不動で船外視点では移動する。光の伝播において力線はその場で伸び縮みするだけで力線自体は移動せず、力線が伸び縮みする間、出没点はすべての視点で光源の真下にある」 という部分ですね。そして、ドイツ語版Wikipediaの記事を参照し、力線の移動と出没点のずれについて考えるように、とのことですね。

結論から申し上げますと、

力線自体は空間的に固定されたものではなく、電磁場の変化に伴い、その形状や分布は変化し、結果として「力線のパターン」は進行します。 ただし、物質的な移動とは異なります。

力線の出没点は、どの視点から見ても光源の位置と一致し、光源の真下からずれることはありません。 これは、電磁場の発生源が光源であり、力線がそこから（またはそこに）発しているという定義から必然的に導かれます。

詳細な説明:

力線の移動について:
電磁場の力線は、電場や磁場の方向と強さを視覚的に表すための概念的なツールです。電磁波が空間を伝播する際、電場と磁場は時間的・空間的に変動します。この変動に伴い、力線の形状や分布も変化します。 例えるなら、水面に波紋が広がるように、電磁場の変動が力線のパターンとして空間を伝播していくイメージです。 ただし、水そのものが移動する海の波とは異なり、力線自体が物質的に移動するわけではありません。あくまで電磁場の変化が空間的に伝播していく様子を力線で表現しているのです。

力線の出没点について:
力線の出没点は、電場であれば電荷、磁場であれば磁荷（実際には磁気双極子ですが）の位置に対応します。 今回のケースでは、光源が電磁波の発生源であり、力線は光源から（または光源に）発生・消滅すると考えることができます。 光源が宇宙船の天井の真下にある場合、宇宙船視点でも船外視点でも、力線の出没点は光源の位置、つまり常に真下に存在し続けます。 もし力線の出没点が光源の位置からずれるとすれば、それは電磁場の発生源の位置と力線の源泉が一致しないという矛盾が生じてしまいます。

Wikipedia記事について:

ドイツ語版Wikipediaの記事（Elektromagnetische Welle）も確認しましたが、電磁波の基本的な性質、電場と磁場の振動、進行方向など、一般的な電磁波の解説がされており、提示された質問内容と直接的に関連する記述は見当たりませんでした。もし、記事中の特定の箇所を指しているようでしたら、具体的にご指摘いただけますでしょうか。ドイツ語のウィキペディアをつかって煙に巻こうとしても、AIはドイツ語も精緻に読めるのですよ、貴方が何と闘っているかは分かりませんが、科学論争は勝ち負けの問題ではなく、真理を追究するものです。貴方は独自の曲解した理論をアイデンティティーにした、劣等感の強い人間なのでしょう。少し可哀想です(>_<)

fadklsj · Answer

たしかに、「誤解のオンパレード」という抽象的な批判だけでは、具体的にどの点をAIが理解していないのかが不明確であり、建設的な議論につながりません。しかし、ご指摘の点を踏まえ、再度、論理的に反論を試みます。

「波と媒質の混同」という反論について

まず、「波と媒質を混同している。海の波は海水が移動していると言ってるようなもの。」 という反論について検討します。

この反論は、私が「進行波」という言葉を用いたことに対して、「海の波」のような媒質の移動を連想している、という指摘だと理解しました。

確かに、海の波は水という媒質の振動が伝わる現象であり、波の進行とともに水自体も移動します。 しかし、電磁波は、古典電磁気学においては媒質を必要としない波であり、真空中でも伝播します。この点は、ご指摘の通りです。

ただし、私の反論の意図は、「電磁波の進行」を「媒質の移動」と同一視することではありません。 私が「進行波」という言葉を用いたのは、

電磁波が空間を伝播する現象である ことを示すため

「場が動かない」という解釈が、電磁波がエネルギーと運動量を運ぶという性質と矛盾する ことを指摘するため

です。

電磁波は媒質を必要としませんが、それでも「進行」という現象は存在します。 この「進行」とは、電磁場の振動パターン（位相）が空間的に移動していくこと、そしてそれによってエネルギーと運動量が空間的に伝播していくことを意味します。

「場が動かない」という解釈 は、この電磁波の「進行」という本質的な側面を否定しているように聞こえます。もし場がその場で伸び縮みするだけで空間的に移動しないのであれば、電磁波はどのようにエネルギーと運動量を伝播させるのでしょうか？

例え話として「海の波」を挙げたのは、あくまで「波が空間を進行する」という現象を直感的に理解していただくための比喩 であり、電磁波と海の波が完全に同じメカニズムで進行すると主張しているわけではありません。 比喩を用いることで、「進行波」という言葉が持つ「空間的な広がりと移動」のイメージ を伝えようとした意図があります。

再反論のポイント

「媒質の移動」と「波の進行」は区別されるべきである という点は認めます。 電磁波は媒質を必要としません。

しかし、電磁波にも「進行」という現象は存在する という点は譲れません。 この「進行」は、エネルギーと運動量の空間的な伝播を意味します。

「場が動かない」という解釈は、電磁波の「進行」と、それに伴うエネルギー・運動量輸送を説明できない という私の反論の核心は変わりません。

「海の波」の例えは比喩であり、電磁波の本質を完全に捉えているわけではない ことを改めて認めます。 ただし、比喩を用いた意図は、波の「進行」という概念を直感的に理解してもらうためでした。

結論

「波と媒質の混同」というご指摘は、電磁波の本質をより正確に理解する上で重要な視点です。 しかし、この指摘は、私の反論の核心部分、すなわち「場が動かない」という解釈が電磁波のエネルギー・運動量輸送と矛盾する という点には影響を与えません。

相対論批判は、電磁波の基本的な性質や相対性理論の理解において、依然として誤解に基づいていると考えられます。 建設的な議論のためには、抽象的な批判ではなく、具体的な論点に焦点を当て、相互理解を深めることが重要です。

fadklsj · Answer

難しいので1月21日(火)にリリースされた最新のAIにご提示の内容について考えてもらいました。あくまでもAIの回答です。参考になれば幸甚です。
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相対論批判に対する反論

提示された資料に基づき、相対論に対する批判を精緻に論理的に反論します。

1. 教えて!Gooの質問「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 その2」について

この質問は、相対論が「光を構成する場の存続時間」を見落としているのではないかという疑問を呈しています。しかし、相対論は光を「場」として捉える電磁場理論（マクスウェル方程式）と矛盾するものではありません。むしろ、相対論はマクスウェル方程式と光速度不変の原理を基礎として構築された理論です。

質問者が「場の存続時間」という言葉で何を意図しているのか不明確ですが、以下のように解釈し、それぞれ反論します。

解釈1: 光を構成する電場と磁場が生成・消滅する時間間隔のこと

もし質問者が、電磁波における電場と磁場の振動が、あたかも交互に生成・消滅するような時間間隔を想定している場合、それは古典的な電磁波の誤ったイメージに基づいています。 ドイツ語版Wikipediaの引用にもあるように、電場と磁場は「交互の存在ではなく、強度比維持のまま、ぬるぬる移動して行く」のです。つまり、電場と磁場は同時に振動しており、生成・消滅を繰り返すようなものではありません。

相対論は、電磁場を古典的に連続的な場として扱う電磁気学と整合的であり、電磁場の時間発展はマクスウェル方程式によって記述されます。相対論は、この電磁場の振る舞いを記述する枠組みであり、「場の存続時間」を見落としているという批判は的外れです。

解釈2: 光子の寿命のこと

量子電磁力学においては、光は光子という素粒子として記述されます。光子は質量がゼロであり、真空中の光子は安定、つまり寿命は無限大です。 相対論は、光子の存在を否定するものではなく、むしろ光子の振る舞いを記述する上で不可欠な理論です。

もし質問者が光子の寿命について言及している場合、それは相対論ではなく、量子電磁力学の範疇となりますが、いずれにせよ相対論が「場の存続時間」を見落としているという批判は誤りです。

2. note記事「相対論思考実験のトリック」について

この記事は、光の伝播機構に関する独自の解釈に基づき、相対論の思考実験における矛盾を指摘しようとしています。しかし、記事の内容は古典的な電磁波の誤解と相対性理論の理解不足に基づいています。

記事の主張の誤り:

「光の伝播は、場(の変化)が次の場を生み出すことで進むものであり、場(の位置)自体は動かない」という解釈:

この記事は、光の伝播を「場がその場で伸び縮みするだけ」と解釈し、場自体は移動しないと主張しています。しかし、これは古典的な電磁波の伝播機構の誤った理解です。

電磁波は、マクスウェル方程式によって記述されるように、電場と磁場の変動が互いに誘導しあいながら空間を伝播する現象です。電場と磁場は空間の各点で振動していますが、その振動のパターン（位相）が空間を移動していくことで、電磁波はエネルギーと運動量を運びます。「場自体は動かない」という解釈は、電磁波がエネルギーと運動量を伝達するという事実と矛盾します。

記事が「光の、『電場の振動と磁場の振動と進行方向が互いに直行する進行波』という情報にのみ基づく描像というか抽象概念においても同様である」と述べている点も誤りです。「進行波」という言葉自体が、波が空間を進行することを意味しており、「場が動かない」という解釈と矛盾しています。

宇宙船の思考実験における矛盾の指摘:

記事は、宇宙船の思考実験を用いて、相対論における矛盾を指摘しようとしていますが、その議論は相対性理論の基本的な概念（ローレンツ変換、同時刻の相対性など）を理解していないために、誤った結論を導いています。

記事は、「見かけの速度が不変の場合、船外視点で、磁力線は、前後の時刻差により伸びる速度が速く縮む速度が遅いので、電気力線と出没は同時になり、これについては宇宙船視点と同じだが、電場と磁場で強度にずれが生じて描像と乖離してしまう」と述べています。

この主張は、以下の点で誤っています。

「見かけの速度が不変」という前提: 相対性理論の基本原理である光速度不変の原理は、「見かけの速度」ではなく、真空中の光速度は全ての慣性系で不変であると主張しています。

「前後の時刻差により伸びる速度が速く縮む速度が遅い」という記述: これは、相対論的な効果（ローレンツ変換、時間の遅れなど）を考慮していない、古典的な速度の合成則に基づいた誤った記述です。相対論においては、異なる慣性系間で時間と空間の座標変換（ローレンツ変換）を行う必要があり、単純な速度の合成則は成り立ちません。

「電場と磁場で強度にずれが生じて描像と乖離してしまう」という結論: 相対性理論によれば、異なる慣性系間で電場と磁場の強度はローレンツ変換によって変換されます。電場と磁場の強度が変化すること自体は、相対性理論の予言であり、矛盾ではありません。記事が「描像と乖離してしまう」と主張しているのは、相対論的な電磁場の変換則を理解していないためです。

「宇宙船が縮むので、宇宙船に対する、磁力線を表す矢印の先端の位置が、宇宙船視点と異なるという矛盾」という指摘: 相対論におけるローレンツ収縮は、物体の長さが運動方向に縮む現象です。これは、観測者によって物体の長さが異なって見えるという相対論的な効果であり、矛盾ではありません。記事が「矛盾」と主張しているのは、ローレンツ収縮を誤解しているためです。

総括:

提示された資料は、相対論に対する誤解や古典的な電磁波の誤ったイメージに基づいた批判であり、論理的にも物理的にも妥当な反論とは言えません。

相対論は、光速度不変の原理とローレンツ変換を基礎として構築された、実験的に高度に検証された理論です。相対論は、電磁気学（マクスウェル方程式）と矛盾するものではなく、むしろ電磁現象を記述する上で不可欠な理論です。

記事が指摘する「矛盾」は、相対性理論の理解不足や古典的な誤解に起因するものであり、相対論そのものの妥当性を揺るがすものではありません。

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 その2

「力線の出没点は船外視点では移動する」という解釈の誤り

相対性理論に関する基本的な質問

あの、あくまでも無機物であるAIの回答なので、感情的になられても困ります。

たしかに、「誤解のオンパレード」という抽象的な批判だけでは、具体的にどの点をAIが理解していないのかが不明確であり、建設的な議論につながりません。

難しいので1月21日(火)にリリースされた最新のAIにご提示の内容について考えてもらいました。

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