特殊相対性理論で光速は不変であると定義されていますが、それを証明する実験の内容と結果について教えていただけませんか?
この「光速は不変」について今までこのカテゴリーでいろいろ議論されてきましたしその回答にある関連サイトにも行きましたが、その根拠について納得できる説明にたどりつけません。
ちなみに私は化学系出身なので詳しい相対性理論を習っていません。

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A 回答 (4件)

特殊相対論が出来る前、光の速度についての議論が盛んだった時代がありました。

そのときには、光の速度は有限であることはわかっていましたが、光がどんな媒質をとおるのか(今では何もないところをとおることがわかっていますが、当時は波を伝える物質:エーテルと呼ばれていました)があると言われていました。
しかし、マイケルソン=モーレーが光を2つの正反対の方向にとばしてその速度をそれぞれは刈る試験を行い、光の速度がどちらも同じになることがわかりました。
ここではエーテルですが、そのまま実は「ある慣性系」と見なしてもかまいません。その慣性系が地球の公転、自転と同じに動いていると考えるのにはやはり無理があります。
一番はじめの光の速度普遍を示唆する実験としてはこれが最初だと思います。
そんな中で、かのアインシュタイン博士が思いついた上の現象を説明できる答えが、光の速度はどの慣性系から見ても速度が同じであるという結論でした。
ちなみにこの時の式自体はローレンツ変換式と呼ばれ、アインシュタインが始めに立てた式ではありません。すでにこの式でうまく説明できる現象はあったのですね。でも、大きな違いは相対論の考え方でした。
その数年後(確か4年後)には重力加速度系への拡張が行われた一般相対性理論に発展し、相対論が完成します。

では、その後直接確かめることが出来たのかというと、相対論そのものがそういう直接的な観測が困難であるという理論であるため、そのような試験結果があるわけではないのです。
その後の科学者の興味は、この相対論が正しいのかどうかという点(光の速度を試験するのではなくて)に注目を集めることになります。
で、天体の観測結果(ある星がこの相対論が正しければ、相対論を考慮していないときよりも見える星の時間が違う)による証明、天体スペクトルのドップラーシフトの測定、飛行機に載せた精密時計の時間が地上にある時計とずれること、などなど色んな観測結果を合わせて少しずつ証明されていったようです。

最近では、先に回答されている方がふれている、粒子加速器で光速度に近い速度で粒子をとばすと寿命が延びること、質量が増大すること(いずれも地上の私たちから見てそう見えるというだけです)などから、間違いない物であると皆が確信しています。

というわけで、結論は、まさにそのものずばりを証明する実験はない。というのが答えです。
但し、相対論自体は証明されているので、当然光速度不変の原理も証明されていると言うことです。

以上が私の理解です。
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この回答へのお礼

詳しい回答をありがとうございます。
たいてい相対性理論の論議をすると「すでに実証済み」とのスタンスから話が進むものですから。
しかし、どんな速度で動いているものから光が発生られても光速不変と言うのは私は判ります。光の速度を考えるときには波動として考え、質量は0と考えるのですから動いているものからの運動エネルギーからの影響はほとんどないですからね。
でも、これである理論から推測した測定結果は実証済みということがわかりました!ありがとうございました!!

お礼日時:-0001/11/30 00:00

さらに補足なんですが...マイケルソン・モーレーのような100年近く前の実験でなくても,毎年のように精度をあげた実験結果が報告されておりますので,光速不変はかなり信憑性が高いと安心して考えてください.


もちろん,水中などと真空では光速が異なるのは変わりません.

ただし,ブランス・ディッキー理論のような,「定数」が時間と共に変化するという理論もありますので,光速不変が確率1で成り立つかどうかは私には分かりません.
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むか~し読んだような記憶があるだけなので不正確かもしれません


が、地球は公転や自転をしていますので、地上はそれなりの方向に
それなりの速度で動いています。ところが、どの方向で光速を測定
しても変化がなかったという実験結果があるそうです。
あやふやですみません。
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この回答へのお礼

お答えありがとうございます。
しかし地球上で測定している限り、動いているものからの光速への影響は測定不可能に思えるのですが・・・。
なにしろ1秒間に地球を7周半もするんですから、光源から測定器まで光が届く間に地球がどれだけ動くのでしょうか?

お礼日時:-0001/11/30 00:00

私が知っている「光速不変」を証明した実験を紹介します。


証明したというよりは、以下の内容はある実験方法の1部分でしかないのですが…

粒子を加速器で光速近くまで加速させます。
光速ほどの速さに物質を加速させ、ある点でローレンツ力かなにかで運動方向を曲げてやると、粒子は元の運動方向に特殊な光を放ちますこれをSR光と言いますが、この光が光速に近い速度の物から発射されたのに、光は光速なのだそうです。
「なぜか?」と聞かれると答えられません。「事実である」としか私には言えません。こんな回答ですいません。

確かな文献が手元にないため間違いがあるかと思いますので、どなたか間違いに気づかれましたらご指摘ください。
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この回答へのお礼

早速の回答ありがとうございました。
しかしその実験では光速近くまで加速された粒子から見た(相対的な)光速は判りませんよね?
光速に近い物から見てもやはり光速だと言う実験結果にはなりませんよね。

お礼日時:-0001/11/30 00:00

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Aベストアンサー

「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

「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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Aベストアンサー

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Aベストアンサー

>ライトが船内の前方へ到達する時間をkとします。とすると観測者bから見た到達時間はkより多くかからなければなりませよね。
はい。

>光速の99%なんで、到達するのがスローに見えるのでしょうか?
観測者bから見ても光はcで進みます。
宇宙船の前方は光から逃げる形になるわけで、光が追いつくのに時間がかかる、というだけの事です。

>光速は超えられないのですが、仮に光速で移動したとすると観測者は前方に到達することを確認できません。だから光速を超えることはできないということですか?
いいえ。
相対論に基づいて光速を超えられないと解釈されているのは、もしそれができたとすると、因果律が破れるからです。


>また、宇宙船内の光は速度cで進みます。とすると宇宙船a内のライトは宇宙船にとっては観測者bに対して(1+99/100)cとなり、宇宙船にとっての観測者に対するライトの速さは光速を超えてしまうのですか?
はい、「観測者aから見た,光の速度と観測者bの速度の差」はcを超えます。
しかし、それは
「観測者aから見た,光の速度(と観測者aの速度の差)」
「観測者bから見た,光の速度(と観測者bの速度の差)」
のいずれとも異なりますので、光速度不変の原理と矛盾するものではありません。

>ライトが船内の前方へ到達する時間をkとします。とすると観測者bから見た到達時間はkより多くかからなければなりませよね。
はい。

>光速の99%なんで、到達するのがスローに見えるのでしょうか?
観測者bから見ても光はcで進みます。
宇宙船の前方は光から逃げる形になるわけで、光が追いつくのに時間がかかる、というだけの事です。

>光速は超えられないのですが、仮に光速で移動したとすると観測者は前方に到達することを確認できません。だから光速を超えることはできないということですか?
いいえ。...続きを読む

Q相対性理論では亜光速ロケットが逆に遅くなる?

特殊相対性理論の本をちょっと読んでみました。
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では、地球から光速に近い速度でロケットが発射されたとします。
地上にいる人からロケットを見ると、ロケットの時間は遅れているように見えます。光速に近いと時間の流れが遅すぎて、地上からはロケットはほぼ止まっているくらいゆっくり動いているように見えるでしょう。
すると、不思議なことになります。
光速に近いくらい「速い」ロケットが、実際にはありえないほど「遅い」ロケットに見えるわけです。

これが不思議でしかたがないです。

我々は新幹線を見ても決してゆっくり動いているようには見えません。
でも、どんどんその速度を上げていくと、どこかで突然、スピードが速いどころか遅くなるんでしょうか?
いったいどれくらい速度が出ると逆に遅くなるんでしょうか?

そもそもこの考え方や理解は合っているでしょうか?

Aベストアンサー

ロケットがブラックホールに落ちていく時、それを外側から見ると(ロケットの速度自体が)ゆっくり動いているようにみえます。

よく勘違されますが、
「ブラックホールに落ちてゆくロケットが光速に近づくことによって時間の流れが遅くなり、
 それによりロケットがゆっくり動いているように見える」
これだと間違いです。

ロケットがゆっくり動いている見える原因は
ロケットがブラックホール周囲の歪んだ空間の中を進むからです。
ブラックホール周辺では「長さの価値」が外とは違います。
イメージ図参照
ロケット自身は亜光速で進んでいても。
歪んだ空間を通り抜けようとする時、余計な移動距離を強いられることになります。
これを外から観測するとゆっくりと動いているように見えます。


ロケットが亜光速であろうがなかろうが、ブラックホール周辺で運動するものは外から見ると遅く見えます。
逆に、亜光速で進むロケットはブラックホール(もしくは重い天体)がなければ、ゆっくり動いては見えません。
亜光速は亜光速です。

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ぱっと聞くと一般を基本として、特殊を説いたというイメージを持ちます。
しかし、実際は逆。一般と特殊はどう違うのか?
どこら辺が一般で特殊なのか、分かりやすくお願いします。

Aベストアンサー

「特殊な条件下でのみ、とても簡単に説明できる理論」が「特殊相対性理論」です。

それを「一般化して、どんな条件でも説明できるように、とっても複雑にした理論」が「一般相対性理論」です。

数学の問題集とかでも「以下の式を一般化せよ」って言われたら、答えが複雑な式になりますよね?


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