光の速度の不思議

Question

ＮＨＫで相対性理論を説明する番組を見ましたが
光の速度は秒速30万キロ以上でも以下でも無く一定ということは分かりました。

となると仮に、宇宙空間を高速で走る列車の中で、進行方向、また後方に発した光は
列車に乗っている人から見て、前方へ発した光は後方に発した光よりも列車の速度の
分だけ遅くなると解釈して良いのでしょうか？

もし、列車に乗っている人から見てどっちも同じ速度となると、列車の外から見た
光の速度は30万キロを超える速度になるのでは、、と思ってしまいます。

テレビ番組では宇宙船から上下に出した光の説明をしてましたが、前後に発した光の
説明はしなかったので、、的外れな質問かも知れませんがよろしくお願いします。

foomufoomu · Accepted Answer

「光に追いつくことがある」、「空間が伸びることがある」、というのは間違いです。

まず、「光の速度は、常に、観測者から見て30万km/s」です。これは質問者さんの書かれたとおりです。
このため、光の周りでは、いろいろ常識に合わない現象が起きます。ここまでは、わかっているようですね。

＞ということは、仮に60万キロある列車の真ん中で前後に光を発した場合は
＞列車の端まで光が到達するのに、前後それぞれ一秒ずつと解釈できますが
＞外から見ている場合は、前に発した光の速度と列車の速度を足すと、列車の
＞前が縮んで見え、逆に後ろは延びて見えるという事になり、列車全体の長さは
＞変わらず、列車の速度の分だけ真ん中が前に移動して見えるという事でしょうか？
外にいる人には、列車は一様に（前も、後ろも）縮んでいるように見えます。
そのうえで、外にいる人には、光は前にも後ろにも30万km/sであると見えるので、前の光は1秒より短い時間で、後ろの光は、もっと短い時間で、端に届くように見えます。
これは相対論の特徴の一つである「同時性が失われる現象」です。

woorex · Answer

相対論の「光速度不変の光速」は、ニュートン力学の光速ｃ-ｖ、ｃ+ｖを相対論的に補正したものです。絶対空間をそのままにして、時間と空間の読み方（評価）を変えることで、あたかも光速が一定を保っているように解釈します。

この時空の読み方の変換率を計算して光速を不変に見せるまでは、ニュートン力学の「変動する光速」を使っています。おそらく上下に出した光の説明でも、一旦は「変動する光速」を扱い、それを修正しているでではないでしょうか。ですから、質問者さんが列車の速度や長さをニュートン力学で表現したのなら、相対論で補正する前の「変動する光速」を使うのが正しい考えです。

この段階で光速度不変を主張するのは、一連の修正過程が本物の時空収縮を扱っていると勘違いしている場合です。数字合わせを要請している光速が１次的に直接観測されることはあり得ないことで、必ず観測後に補正して「光速度不変の光速」を作り出します。この点は、ｃ-ｖ、ｃ+ｖを使っていることで、時空の収縮はあっさり否定されます。
また、計算を必要としない光速度不変が直接観測されるというのも、別の物理的な仮定と混同したものです。

注意しなければならないのは、もし、ＮＨＫの番組が相対論を理論のように説明しているなら誤った解釈です。番組を見るときは、「光速度不変の光速」がニュートン力学に支えられ、読み方（評価）を変えた時間と空間を要請しているだけだと考えれば、矛盾が解決するはずです。

angkor_h · Answer

ご回答数が多いので全てに目は通していませんが、

光を発する時は停止しており、微小時間たったら次に位置でまた、光を放つ、と考えたらどうでしょうか。
観測者が手前に放たれた光を通過する波数と、前に放たれた光を通過する波数とを比較すれば、観測された波数は変わります。
この応用が、遠くの恒星が遠ざかる速度で観測する色が変わることで距離(遠近がある)を推定する方法です。
これらは一般的に言われていることです。

しかし、
宇宙の大きさを計り知れるのは、光が地球に到達しうる範囲でしかありません。それが宇宙の端っこという方がいますが、一方で、それ以遠では宇宙そのものが光速を超えて膨張しており、前後に放たれた光が共に遠ざかっているので見ることができない、…宇宙の果てでは光速の4倍程度の膨張速度、とも言われています。
逆に、そうでなければ、膨張し続ける宇宙の縁端は光速で詰まってしまいます。

これらの情報はネットにもあるので、触れてみてください。

htms42 · Answer

＃６、＃７です。

＞そういえば、音は高速で追い越せるけれど、光は逃げて行ってしまうと
いう事だから、同じ波でなのに、、光はなんとも厄介なものですね。

「光は逃げて行ってしまう」と言ってしまうのは「？」です。前提になっている「高速」が実現できないと考える方が先ではないでしょうか。
光の伝わる速さが有限であるということがわかった段階で、相互作用の伝わる速さも有限であるということが出てきます。物体を加速するためには何らかの力が必要になりますから力がうまく伝わらなくなれば加速するのが難しくなります。高速になればなるほど加速するのが難しくなること、相互作用の伝わる速さ以上の速さに加速するというのは不可能であるということが導かれます。物質を構成している原子の結合も電磁的な相互作用が基本になっていますから、一定の位置関係を保った状態で速度を変えるということは不可能になるということも導かれます。宇宙船も人も存在できない世界なのです。原子核と電子の間に働く力も電磁的なものですから普通の原子は存在できないだろうということも出てきます。

これは相対性理論には関係がありません。
相対性理論以前の話です。

もし相対性理論について話をしたいのであれば
相対性理論以前の話は踏まえておく必要があります。

psytex · Answer

光速不変性は、常に「観察者にとって」です。
その結果、列車の中で一緒に移動している人と、
外で止まって見ている人との間に食い違いが出ても、
「観察者」は同時に両方で観察できないので、問題
ないとするのです。

たとえば、観察者にとって「運動しているものは時間が
遅れる」というのが、光速不変性の１つの結果ですが、
その『運動』は相対的なので、互いに相手の時間が
遅くなって見えるのです。

s_hyama · Answer

相対性理論は光の速さも光のエネルギーもごっちゃにしているので解りにくいだけです。
重力を考慮しなければ、
光の速さc = 光波の伝搬速度wは同じです。
これは、発光体の速度に関係なく時空が伝搬する光波の速度なので変わりません。

しかし観測者もエネルギー体なので光の速さcで時間発展して変化しています。
その観測者で移動vしていると、
c^2 = 移動速度v^2 + 波動速度w^2
c/w＝c/(c^2-v^2)=1/√(1-v^2/c^2)変化速度は落ちます。
その状態でwという光波を見ると、
c/w * w = c、結局光速度で伝搬している光波に見えるだけです。

chiha2525 · Answer

例えで上げられている列車の例ですと、次のようになります。

まずあなたが列車（１両）の真ん中にいて、前と後ろに光を出すとします。あなたにとっては列車は動いていても止まっていても同じなのですが、前方に出した光も後方に出した光も同じ速度（秒速３０万キロ程度）で伝わり、列車の前方の壁と後方の壁に同時に到達します。
片や、別の人Ａが列車の外にいて同じ現象を見ていたとします。列車が別の人Ａからみて前方（どちらでも良いのですがｗ）に進んでいるわけです。Ａが、列車の真ん中から前と後へ出た光を観測しても、やはりどちらの光も同じ速度（秒速３０万キロ程度）で伝わります。電車は前方に進んでいるので、Ａから見ると光は後方の壁に先に到達し、その後前方の壁に到達します。

このように、同じ現象を観測しても、観測者によって同時になったりならなかったりします。

列車の前後の壁に鏡があって、前後の光を反射させたとします。
列車のまんなかに居るあなたには、同時に到達した前後の光が折り返して、同時に自分のところに戻ってきます。これを列車の外にいるＡからみたら、先に後方に光が到達して折り返し、次に前方に光が到達して折り返し、そして同時にあなたの場所（列車の真ん中）に光が戻ってくるのが観測されます。

このとき、あなたの観測した光が進む距離より、Ａが観測した光が進む距離（あるいは時間）のほうが、少し長くなります（少しかどうかは相対速度にもよりますが）。光の速度は不変なので、長さか時間が変わるというわけです。

cozycube1 · Answer

以下、加速度運動は考えません。慣性運動（静止か等速直線運動）です。

>宇宙空間を高速で走る列車の中で、進行方向、また後方に発した光は列車に乗っている人から見て、前方へ発した光は後方に発した光よりも列車の速度の分だけ遅くなると解釈して良いのでしょうか？

その光の観測者は列車に乗っている人です。まず、基本として押さえて頂きたいのは、「観測者は自分が静止だとして周囲の出来事を記述する」ということです。

列車が、たとえば地球の観測者（この人も自分が静止だと思っています）から見て列車が光速度の99％の高速だとします。もちろん、地球の観測者は列車の速度は亜光速（光速度に近い速さのこと）だと断言します。

しかし、その列車内の観測者は、そんな地球の観測者の事情は知ったことではなく、「私は静止している」として、「地球のほうこそ、光速度の99％の亜光速だ」と断言します。

こういう状況で、列車内で光ではなく、野球のボールを『列車内の観測者から見て』時速100kmで投げるとしましょう。相対論ではなく、ニュートン力学で考えます。そして、ボールを投げる方向は《地球の観測者から見て》列車の進行方向だとしましょう。

『列車内の観測者』からすれば、ボールの速さは時速100kmです。そのように投げたんですから。《地球からの観測者》からすれば、ボールの速さは「光速度の99％＋時速100km」になります。列車の速度を足すわけですね。

ところが光だと全く事情が異なるのです。列車内の光源からの光は、『列車内の観測者から見て』秒速30万kmだし、《地球の観測者から見て》も秒速30万kmなのです。《地球の観測者から見た》列車の速度、つまり光源の速度は、光の速さと無関係なのです。

>もし、列車に乗っている人から見てどっちも同じ速度となると、列車の外から見た
光の速度は30万キロを超える速度になるのでは、、と思ってしまいます。

実は19世紀からそう予想されて、実験や観測が行われていました。当時は最高速の乗り物を使っての実験です。それは地球なんですが、地球の公転速度の秒速30kmを使ったものでした。ところが、どうしても光の速さはいつでも変わりませんでした。条件を変えたり、精度を上げたりしましたが、どうやっても光速度はいつも同じでした。

いまでもなぜかは分かっていません。秒速30万kmという謎の速度があって、その速度で走るもの（今のところ光以外にはない）は、どんな状態の誰から見ても、いつでも秒速30万km以外にはならないということだけが分かっています。

そして、そうだとしたらということで、いろいろな仮説が出ました。その中で、「もう光速度がいつでも同じということで、その秒速30万kmを基準にして理論を作る。今まで、いつも同じと思っていた時間や空間のほうが変わることにする」としたのが相対論でうｓ。

>テレビ番組では宇宙船から上下に出した光の説明をしてましたが、

それが時間の遅れですね（時計の遅れとも呼ばれている）。

>前後に発した光の説明はしなかったので、

実はあったんですよ。列車の中で時刻合わせした列車先頭と最後尾の二つの時計が、列車の外から見たら時刻があっていない、という現象です（同時刻の相違と呼ばれる）。

それを、旗を挙げるという説明で、光速度が誰にとっても同じということから説明していました。
　列車のちょうど真ん中で光を発したら、『列車内の観測者』にとっては、光は先頭と最後尾に同時に届きます。
　同じ光を、列車が亜光速と見ている《列車の外の観測者》から見たら、発光した光は、まず迎え撃つように近づいてくる最後尾に到着し、次に逃げるように遠ざかりつつある先頭に届きます。同時にはならないわけです。、

しかも、それが「お互い様」なんですね。もし、列車の外（地球）の観測者のほうで、同じように廊下を持ち（地球のプラットフォームに停車中の列車でもいい）、その廊下で光を発したら、列車内の観測者は、その光を見て、地球の時間は遅くなっており、地球基準で時刻合わせした時計の時刻は合っていないと言います。

>的外れな質問かも知れませんがよろしくお願いします。

非常に納得しにくいところですから、的外れではありません。どう説明しても、飲みこみやすくならないです。番組を続けてご覧になられるといいでしょう。

htms42 · Answer

＃６です。

水中での光の速さの測定を最初にやったのはフィゾーです。
回転歯車を使っての光速度の測定（１８４９年）が有名ですが
波動説、粒子説ということで言えば水中での光の速さの測定が重要になります。

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%A2%E3%83%AB%E3%83%9E%E3%83%B3%E3%83%BB%E3%83%95%E3%82%A3%E3%82%BE%E3%83%BC

htms42 · Answer

音は空気中を伝わります。
音の伝わる速さは音を出す物体が動いているか止まっているかによらず一定です。
水面を伝わる波の速さは波を作った物体が動いているか、止まっているかによらず一定になります。
波の伝わる速さは波源の運動と無関係であるというのは波動現象一般に成り立つ性質です。

「光は波であるか、粒子であるか」というのがニュートン、ホイヘンスの論争になったことはよく知られていることですが、ホイヘンスの主張した波動説で決着が付いています。光が波であるということを認めれば波源の運動状態によらず伝わる速さは一定であるということは出てきます。
波の示す性質である、反射、屈折、回折、干渉という現象をすべて光において観察することができます。
波長とか振動数という言葉を使って光や電波を表現していること自体、現在は光を波であるとして受け入れているということです。

光の波動説と粒子説に決着を付けた決定的な実験であると言われているものに媒質中での光の速さの測定があります。空気中から水の中に光が入ると境界面で光の進む方向が変わります。屈折といわれている現象です。この場合、水面から離れる方向に屈折が起こります。ニュートンの粒子説では水中での光の速さは空気中よりも速くなるはずですが、ホイヘンスの波動説では遅くなります。速くなるか、遅くなるの違いですから速さの測定が出来さえすれば解釈にあいまいさが出てくる余地がほとんどないのです。

音は空気が無ければ伝わりません。
光は真空でも伝わります。
真空自体が光を伝える性質を持っているということです。
高等学校の物理で出てくる静電気力も真空中でどういう大きさの力が働くかという表現になっています。
電気的な相互作用、磁気的な相互作用は真空中で働くことが前提になっています。これらの相互作用から電磁波の伝わる速さも出てきますから、光は真空中を伝わる波であるということに何の矛盾もありません。

これだけの話であれば相対性理論を持ち出す必要はありません。

光の速度の不思議

「光に追いつくことがある」、「空間が伸びることがある」、というのは間違いです。

この回答への補足

相対論の「光速度不変の光速」は、ニュートン力学の光速ｃ-ｖ、ｃ+ｖを相対論的に補正したものです。

ご回答数が多いので全てに目は通していませんが、

この回答への補足

＃６、＃７です。

光速不変性は、常に「観察者にとって」です。

この回答への補足

相対性理論は光の速さも光のエネルギーもごっちゃにしているので解りにくいだけです。

この回答への補足

例えで上げられている列車の例ですと、次のようになります。

この回答への補足

以下、加速度運動は考えません。

この回答への補足

＃６です。

音は空気中を伝わります。

この回答への補足

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　以下、加速度運動は考えません。