光の速度

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質問者：noname#179936
質問日時：2013/06/03 12:37
回答数：8件

光の速度で運動している物体から運動している向きに光を照射するとどうなりますか。

光が光の速度の2倍で進むのですか。

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回答 (8件)

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No.8

回答者： TANUKIA
回答日時：2013/06/07 01:37

ものすごく簡単に書くと、相対性理論で言われる「光速度不変」とは、

どんな状況から見ても光速度は光速度のままですよ。ってこと。

じゃあなんでそんなことになるの？ってのを説明してるのが相対性理論です。
「速度」は「時間」と「距離」によって求められます。これはきっと小学校で習います。
この三つの中の二つが分かれば、残りの一つが分かります。
これらの三つは相互関係を持ってるからです。これ大事です。

相対性理論では、実は時空は均一じゃないんだよ、
だってどんな状況(観察者)から見ても光速は一定の光速なんだから。
実は速度は一定で、距離とか時間が歪んでんだよ。
ってことを言っています。
もしくは、その歪む割合の式を提示しています。

これはいかなる観察者にとっても光速は光速のままであるということで、
じゃあなんでそんな事になるの？
って言うと、A君とB君では時間とか距離が歪んでいて別になってるからです。

なお、これはお互いの相対差なので、どこの部分が歪んでるって話ではありません。光を絶対的な基準にすれば時間と距離が歪んでるってことになるし、距離を絶対的な基準にすれば速度と時間が歪みます。

例えば、
秒速10万kmで進んでも光が同じ速度で見えるので
「光は不変の速度だ！時間と距離が歪んだのだ！」って考えることも出来るし、
秒速10万Kmで進んでも光が同じ速度で見えるので
「光の速度が私に合わせて変更している！光速は歪んでいるのだ！」って考えることもできます。
前者は光の速度を絶対基準とした考え方なので歪むのは自分自身の時間と距離です。
後者は逆で、歪むのは光速度です。
まぁなんにせよ、そうなるとA君とB君で見えている世界は変わっていると言うことになるので、
その速度やら時間やら距離やらが歪む率を説明するのが相対性理論です。

私たちから見てあたかも光が不変に見えるので普通物理学では光の速度を基準に物を考えます。そのほうが使いやすいからです。

だから物体が動いていたとして、それを誰が見たかで速度が変わるんですね。この世の中は。
日常生活では、光速に比べてあまりにも遅いような物しかお目にかからないので、
だれが見てもほぼ同じように見えて誤差がないように感じるだけです。

で質問の件に答えると、物体が光速で動くことは(相対性理論では)不可能です。

仮にA君が光速で動き、B君が止まってるとします。
A君は自分の進行方向に光を発射しました。
A君から見て、光は光の速度で進んでいきます。
この時点でA君は光より遅いです。絶対光に追いつけない仕組みなんですから。

B君から見てもその光は光の速度で進んでいきます。
だからB君から見てA君は光の速度よりは遅く見えます。
でもB君から見て、光とA君との間に、光速の差はありません。
光はA君に対し、徐々に差を広げて進んでるように見えるかもしれません。
これを時間やら距離やらが歪んでいるとして説明しています。
A君に流れる時間や距離は、B君に流れている物とは違うわけですね。

もちろんこれを、速度のほうがすぐ歪んでおかしくなるのだ、って言い張ることもできますが、
普通は光速のほうを不変と見なすし、どっちにしろ歪む率は変わりません。

なので物体の動きが光の速度に並んで見えることはありません。
限りなく光速に近づきはしますが、並んだり超えたりすることはないのです。
それが相対性理論です。

現実上なんでそんなことになるのかは知りませんが、とにかく相対背理論はそうゆう理論で、
現実上もどうやらそうなっていらっしゃるのです。

ちなみにここまでは特殊相対性理論で、
一般相対性理論では、だったら質量(重さ)も歪むではないか。
じゃあ重さが変わるし、ならば重力も変動してるし、そうなると空間もまっすぐではないじゃないかー、なんちゃらかんちゃらー。
と全部計算して歪む率を出してるのが一般相対性理論です。

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No.7

回答者： foomufoomu
回答日時：2013/06/06 15:02

相対論では、光の速さは超えられない。

などと言いますが、これはすべて「観測者からみた速さ」をさしています。したがって「誰が、何を見たか」を常に考えていないと間違いを起こします。

質問の
＞光の速度で運動している物体
というのは、あなたが物体を見て、その時の速度が光速(30万km/s)だった（実際には光速より少し小さい）という意味だと思います。

で、そのあとの
＞光が光の速度の2倍で進むのですか。
については、光の速さは不変(誰がどうやって観測しても、観測者からみると光速）なので、物体上の人から見ても、あなたから見ても、光の速度は光速です。
ただ、ドップラー効果で、あなたからみた光は、物体上の人から見るより、うんと周波数が高く(波長が短く)なっています。

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No.6

回答者： iapetus
回答日時：2013/06/03 23:03

重箱の隅をつつくような言い方になるのは恐縮ですが、ご質問自体が成り立たないんです。

仮に成り立ったとしても、光は2倍では進まず、やはり光速で進みます。
以下、解説します。長いです。

光速度で進めるのは、電磁波と電流と重力波です。

物体、即ち、質量があるものは、慣性系といって、一定の方向と速度を持っていますが、それらは、全て光速度より遅いのです。
その物体を、仮にどんどん加速し続けて、光速度に近付ければ近づける程、物体は進行方向に潰れたように長さ（というか厚さ？）が縮んでいき、進行方向に対し前後に薄っぺらくなっていきます。
そして、加速に使われ続けたエネルギーは、物体そのものの質量に転換され続けるため、益々物体は重く、加速し難くなっていきます。
このようにして、光速度に近付けば近づく程、物体は急激に重くなって、どんなに強く押しても、光速度を超えるどころか、光速度そのものに到達することすらできないのです。
ですから、光速を前提としたご質問そのものが、相対性理論によって成立しないのではありますが、まぁ、計算上の仮定であれば可能です。

さて、以上は相対性理論に則った物体の運動法則のひとつです。
運動する物体aの速度をuとし、その物体から物体bを相対速度vで放った場合、合成された物体bの合計速度ｗは、u + v ではなく、次の速度で表されます。
（c は光速度、n^2のように、「^」は、ｎの何乗（べき乗、累乗）を表す記号とします。）
　　w = ( u + v ) / (1 + ( uv / c^2 ))

なぜこうなるのか、確証がないでなはいか、などというツッコミは無しです。
これまで、質量を持つ物体の速度が光速を超えた事例は観測されていませんし、加速機などでの実験でも、加える加速力と粒子の速度は、相対性理論の方程式に従って加速され、光速を超えることはできません。
昨年騒がれた、ニュートリノが光速を超えた、というCERNの実験結果が散々発表された時ですら、配線の接触不良を見落としていて、結局は、ニュートリノは光速に達してはいなかったのです。
それ程、相対性理論は完璧なのです。

しかし、相対性理論の名が示す通り、観測者の立場が変われば、物理計測もそれに応じて結果が変わるのです。
それは、空間と時間が加速度（によって得られた速度）に影響を受け、曲がり、変化している結果なのです。

以下、物体が光速度になることが出来ない以上、以下は有り得ないことなのですが、ご質問への単純回答と思ってください。
ご質問では、u = v = c （c : 光速度）ですから、この式に当てはめ、

　　w = ( c + c ) / (1 + ( c^2 / c^2 ))
= 2c / (1 + 1)
　　　= c

ご質問の答えは、光速度、即ち、約30万キロメートル毎秒　です。
光速の物体から光を放っても、その光は全ての観測者にとって、やはり光速でしかないのです。
これを「光速度不変の法則」といいます。

以下、余談ですが。

これを、宇宙空間にいる観測者が観れば、どこまで行っても物体とそれから発せられた光が同じ速度で移動しているように見えます。
この時、物体の長さは厚さが全くないゼロで、物体の時間は停止しているように観測され、質量は無限大に達します。

その光速の物体と共に移動する観測者にとっては、光はやはり光速で進むよう観測されます。
このとき、観測者にとっての時間は止まってはおらず、観測者以外の空間の進行方向の厚さがゼロとなり、時間が無限の速さで進んでいるよう観測されます。
つまり、物体上の観測者にとって、移動はどんな距離であっても宇宙空間の厚さがゼロなので、どんなに瞬時であろうとも、観測者以外の者にとってそれは永遠の時間なのです。

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この回答へのお礼

皆さんの回答を見て大体理解したつもりです。
（お礼まとめてすいません）

光速に近い速度で進んでいる物体から光を出した時、
静止している観測者からは光が観測者から見て光速であり（物体との速度の差が光速というわけではない）、
物体からは、進行方向に空間が圧縮されたように見えるので、光との相対速度は光速ではないけど、距離が短くなるから光速に見える。

こういう解釈で合ってますか。

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お礼日時：2013/06/08 09:01

No.5

回答者： tetsumyi
回答日時：2013/06/03 18:33

光の速度で運動している物体は、時間が停止していますので光を出すことができません。

宇宙の果ての星は宇宙の膨張の為に光の速度、または光の速度以上で遠ざかっていると考えられていますが、これらの星からの光は観測する術がありませんし、全ての物理的な影響は地球に及びません。
光の速度で運動する物体が近くあったとしても、その存在は確認できませんので消滅した状態、我々の宇宙から異次元に移動したと考えるのが正しいでしょう。