光速不変とは？

Question

光速不変とはどういう現象のことでしょうか？
詳細を教えてください。
できれば図を添えていただけるとありがたいのですが。

pasocom · Accepted Answer

日常生活では、走っているものから前に向かってものを投げれば、そのものの速さは
「走っているものの速度」＋「前に投げた速度」になりますね。

しかし、光の場合はどんな速さのものからどっちに投げても（照らしても）、その速度は一定だということです。

lv4u · Answer

速度の計算は　速度＝移動距離／移動時間

で計算されます。光速度一定にするためには、距離と時間の両方、あるいは片方だけを調整すれば可能となります。
１８８７年のマイケルソン・モーリーの実験結果で、干渉縞の変化が計算値より小さかったのですが、その解釈として「空間（距離）が縮んだ」という解釈がありました。この時代には、横波である光を運ぶ媒体として「エーテル」が考えられていました。
「時間の遅れ」を考えなくとも、距離が縮む（全ての物体がエーテルの運動方向に対して縮む）ことで、干渉縞の変化が無いことを説明できるとローレンツは主張していた。

その後、幾人もの研究者が追試実験を行って、干渉縞のずれは検出されるものの、期待されたずれよりも１／１０以下だったようです。
ただ、この追試実験の中で、サニャックは、回転テーブル上に実験装置を置いたとき、「光源と検出器がすべてテーブルと一緒に動くから、光速度一定であれば、ずれは無い」と予想したのですが、実際には、干渉縞のずれが検出されてしまいました。
この発見を応用して、レーザジャイロスコープが実用化されています。

その後、ポアンカレは１９０５年６月５日に「マクスウエル方程式を不変にする相対的線形変形が存在することを示し、その変換での短縮因子にローレンツ変換と命名」して、その論文をパリ科学アカデミーに提出。
アインシュタインは、１９０５年６月３０日に「運動する物体の電気力学」と題する論文を発表。
この中で、アインシュタインは

１）相対性原理：どのような慣性系であっても、電気力学と光学の法則は全く同じように記述される。
２）光速度不変の原理：光は真空中を光源の運動状態に無関係な一定の速さｃで伝播する。

この２つの原理を公準として受け入れれば、

１）「静止している物体」に対するマックスウエルの電気力学の理論を出発点として、「運動している物体」に対する簡単で矛盾のない電気力学が得られる。
２）光を伝える媒体としての「エーテル」の概念を物理学に持ち込む必要が無い。

ことを示しました。（※電気力学は、現在の電磁気学のことです）
ちなみに、ローレンツとポアンカレは、エーテルの存在を否定していた訳ではないそうです。

少なくとも、この１９０５年６月３０日の時点では、アインシュタインの相対性理論は、No.13さんの回答にあるように、「光速度不変」は「仮定」「公理」のような存在だったといえるでしょう。

※参照資料：物質科学を学ぶための電磁気学の基礎事項／名古屋大学教授　川邊　岩夫

※追伸
アインシュタインは、ポアンカレの論文を読んでいたと推察されてますし、アインシュタインは引用論文を全く掲げていないので、「アインシュタインはポアンカレのアイデアを盗んだ」という批判があるようです。

ngkdddjkk · Answer

どの観測者から見ても、真空の光速度を超えるものはないという仮定です。
諸々の観測から推察された考えであって、現象とは異なる。

TXV12003 · Answer

自作も出来るかもしれませんが、光の速度を測定する装置を考えてみます。

スイッチＯＮすると光を発するランプ→　　　　光センサＡ　---適当な距離----光センサＢ

光センサＡとＢは光を受け取った時パルスを出力します。

ＡとＢ同じ長さの電線で高精度の測定器（オシロスコープ等）をつなぎます。
ＡとＢが発するパルスの時間差を測定することで光の速度を測定することが出来ます。

仮にこの測定器の精度を十分に向上させたものが実現できたとします。

この装置のセットを新幹線上と、地上に１つずつ設置します。
走っている新幹線上で進行方向に向けて発した光を、新幹線上の装置で測定します。

そして、その光は、そのまま新幹線の前方へ通り抜けて発せられます。

新幹線の前方には地上に設置されたもう一つの装置があり、そこでもその光を測定します。

普通に考えると「新幹線の速度」＋「光の速度」＝「地上の装置で測定される速度」だと思うでしょう。
もしこれが光ではなく弾丸なら、新幹線上で測った速度よりも、地上で測った速度のほうが速いはずですよね。

しかし、新幹線上の装置と、地上の装置で計測されたそれぞれの光の速度を比較すると、あら不思議、同じなのですね（光速不変）。
こんな不思議なことを説明しようとすると、つじつま合わせが必要になります。

そこで、地上よりも、新幹線上での時間の流れが遅くなっていると考えるとつじつま合わせができます。

時間は絶対ではなく、光速が絶対なのだそうです。

ORUKA1951 · Answer

そんなに難しいものではありません。極めて単純な話なのですよ。難しいのは、それをきちんと数式で説明すること。

あなたが、時速300km/hの高速で走っている新幹線の中で物を落としても、それは足元に落ちて、300km/hで列車の後ろに飛んでいきませんよね。これを[相対性原理]と言います。最も単純なものです。
　難しくいうと、等速直線運動をしている座標系では同じ物理法則が成り立つということです。アインシュタイン以前に、光の速度は多くの科学者が手を尽くして測定しましたが、地球上でどの位置でも、どの方向でも同じ速度結果しか出てこないのです。光は波の性質を持つことが知られていましたから、これは、とても不思議なことでした。救急車が近づいてくるときと遠ざかるときで音程が異なるようにね。いわゆるドップラー効果です。
　光の波を伝える媒質がまるで地球が宇宙の中心であるかのように存在しているのは、あまりにもおかしい。

そこでアインシュタインは考えました。ひょっとして光の速度自体も重力や慣性のように、その座標系が移動しようがしてまいが成り立つルールではないかと・・。彼自身が述べているように、「もし自分の顔が見えるように手鏡をもって走って、その速度が光に近くなったら鏡に自分の姿は届かないため写らないということがあるだろうか？」

これが光の速度の普遍性の原点です。

もし、すべての座標系で[光の速度はいくら]と言う物理法則が成り立つなら、他の物理法則との関わりはどうなるのかを、式を立てて検討してみました。そうすると、時間が同じように歩むことを否定しなければならなくなってしまった。また重力によって光の進行方向が曲がることにも繫がってしまう。しかし、その差は日常では問題にならないが、感覚的に納得できい。--特殊相対性原理--

そんなとき、たまたま日食が予測され、そのとき太陽のすぐ傍に見える星が日食で太陽が隠されたときにずれて見えるはずという結果をアインシュタインの相対性原理は予測していました。このときほど、日食が注目されたことはなかったでしょう、。
　そして、当日・・・確かに予測どおり星の位置がずれて見えました。光は時間よりも優先される物理法則であることが・・

その後、等速直線運動だけでなく加速度運動する座標系でも光の速度は一定と言うことが導き出され--一般相対性原理--

その後、あらゆる場面で、今でもアインシュタインの相対性原理で説明できない現象があるのではないかと日々科学者は捜し求めていますが、いまだに見つかっていない。

tknakamuri · Answer

手元のアインシュタインの論文から引用

1.2長さと時刻の相対性　より「光速度不変の原理」を抜粋

----------
2 静止している座標系において進行する光線は、その光線が静止している物体から発射されたのか、 
それとも運動している物体から発射されたのかにかかわらず、決められた速さで進行する。
----------

tadys · Answer

通常の波の場合、波を伝えるもの（媒質と言う、音の場合は空気）が移動していると音の伝わる速さが変化します。

例えば、音源から観測者へ向かって風が吹いている時にはスピードが速くなります。
逆の場合は遅くなります。この時風の速さが音速を超えるといつまでも音が届きません。
これは、音源と観測者の距離を変えずに両者が移動している時も同じです。

光についても媒質が有ると仮定すると事実と合わないのです。
光は横波ですが、通常の場合、固体でなければ横波は伝わりません。
また、波の速さは媒質がかたいほど早く伝わります。
光の速さはとても速いので媒質の硬さはとてつもなく硬いものでなければなりません。
宇宙のかなたからも光が届くので（届かなければ星は見えない）宇宙の真空空間は光の媒質で満たされているはずです。
地球は太陽の周りを公転しているので、この媒質の中を移動しています。
しかし、とてつもなく硬い固体の中を地球が運動しているとは考えられません。
そこで、この媒質と地球の間の動きを測ってみようとしたのですが、動いている証拠は見つかりませんでした。
最初に測ったのはマイケルソンとモーリーですが、その後に測った人でも結果は同じです。

そこで、光には従来の様な媒質は必要ない、光の速度は光源が運動していてもしていなくても同じ速さで有ると言う事を事実として受け入れたのです。
（受け入れる事が出来ない人も大勢いますけどね）
電磁気学の理論は、この事実と矛盾しませんが、ニュートン力学は上手くいきません。
ニュートン力学には相対性理論による修正が必要だったのです。

cozycube1 · Answer

どんな慣性系からでも、どんな光源からでも、無重力で真空中の光の速度は同じ（秒速約30万km）であるということです。それだけのことなので、図も何もありません。ちなみに、この場合の光は電磁波全てのことです。

lv4u · Answer

光速度不変の意味する現象として、飛行機の音速突破の例が理解しやすいと思います。

普通のプロペラ機は、いくらエンジン出力を上げて、プロペラを速く回転させようとも、音速を越えることはできないそうです。
同様に、原子や電子での力の伝搬速度の限界値が光速と考えれば、いくらがんばっても、物体を光速度よりも速くすることは出来ないということもなんとなく理解できる気もします。

ただ、ジェットエンジン搭載すれば、音速を超える飛行が可能になるように、光速度を超える何かがあり、物体をうまく１つにまとめておける方法があれば、超光速飛行も不可能ではないという気もします。

lv4u · Answer

>>思考実験の世界であり、「現象」として確認されるものではありません。

あ、この部分は訂正します。「光速度不変」と思えるような現象としては、古くは、マイケルソン・モーレーの実験などいろいろあると思います。
つまり、高速度で移動しても、その速度が光速度には影響しないと思える実験結果はあります。ただ、その結果の解釈をめぐっては議論の余地があります。

光速不変とは？

日常生活では、走っているものから前に向かってものを投げれば、そのものの速さは

この回答への補足

速度の計算は 速度＝移動距離／移動時間

この回答への補足

どの観測者から見ても、真空の光速度を超えるものはないという仮定です。

この回答への補足

自作も出来るかもしれませんが、光の速度を測定する装置を考えてみます。

この回答への補足

そんなに難しいものではありません。

この回答への補足

手元のアインシュタインの論文から引用

この回答への補足

通常の波の場合、波を伝えるもの（媒質と言う、音の場合は空気）が移動していると音の伝わる速さが変化します。

この回答への補足

どんな慣性系からでも、どんな光源からでも、無重力で真空中の光の速度は同じ（秒速約30万km）であるということです。

この回答への補足

光速度不変の意味する現象として、飛行機の音速突破の例が理解しやすいと思います。

この回答への補足

>>思考実験の世界であり、「現象」として確認されるものではありません。

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　そんなに難しいものではありません。

手元のアインシュタインの論文から引用　

　どんな慣性系からでも、どんな光源からでも、無重力で真空中の光の速度は同じ（秒速約30万km）であるということです。