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「相対性理論の原点」

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  • 質問No.210478
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お礼率 46% (46/99)

え~と、まず「相対性理論」の話が沢山出ているのは知っています。
それに、大体は読みました。でもいつも肝心な事(自分にとって)を説明していなくて、疑問は募るばかりです。
というか、一番基本的な事が僕は分かっていない(納得できていない)みたいです。
そこで、3つほど教えていただきたいのですが、

1)何故、異なる観測者から見たときでも、光の速さが変わらない。と言えるのか?

2)E=mc^2は何処から導き出されたのか?(最初は適当に書いてくれれば、分からな
 い所を質問します。)

3?)「質問1」と重なるかも知れませんが、何故光速不変にこだわったのですか?
  光の何が、特殊なのでしょうか?ただ、一つの物質(波?)に過ぎないんじゃない
  んでしょうか?なぜ、光より速いモノはない。と断言できるのでしょうか?
  人間が関知出来る現象の内、わ・り・と・速く動いてると観測できたモノに過  ぎないような気がします。

というように、根本的な事が分かっていません。ので、回答の方よろしくお願いします。長文・短文大歓迎です。(できれば、分かりやすいのを希望します。)

恐らく、「回答に対する質問」もたくさんすると思うので、そちらの方も是非見て下さい。本当によろしくお願いします。
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質問者が選んだベストアンサー

  • 回答No.7
レベル12

ベストアンサー率 27% (258/936)

有史以来、電気や磁気に関する様々な物理現象が発見されてきましたが、それらの諸法則は、1864年、英国の物理学者マックスウェル(James Clerk Maxwel, 1831~1879)によって、『電磁気学』として体系化されました。この理論の中で、マックスウェルは、光をエーテルという媒質中で起こる波動現象であると説明しました。これを受けて、エーテルを検証する各種の実験が行われ始めました。マイケルソン=モーリーの実験もその一環でしたが、この実験は、それまでの否定的結果を決定的にしたという意義があります。この問題は、当時の物理学界の大きな悩みでしたが、1905年、アインシュタイン(Albert Einstein, 1879~1955)の相対性理論よって解決されました。

相対性理論は、次の二つの原理から成り立ちます。
【光速度普遍の原理】
光の速さは、光源の運動状態によらず、常に一定である
【相対性原理】
すべての慣性系は、あらゆる物理法則に関して同等である
この二つの原理を認めれば、いかなる観測者にとっても、光の速さは一定になります。

科学史的には、相対性理論は、マイケルソン=モーリーの実験の否定的な実験結果を説明するために提出されたとされていますが、アインシュタイン自身は、その実験を知らなかったと言っています。アインシュタインは、幼いころから思索好きで、「光を光の速さで追いかけるとどう見えるか?」といった問題を自分で考えていたようです。そして、相対性理論は、このような思索から生まれたのであって、エーテルが検出される筈がないことは、実験による検証を待つまでもなく、自分にとってすでに明らかであったと言っています。
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  • 回答No.3
レベル10

ベストアンサー率 18% (28/153)

★★★「どういった実験によって光速不変が分かったのか?」★★★ 有名なマイケルソン=モーレーの実験(1887年)があります http://www.big.or.jp/~isaacrc/superscience/kubota/part2.html http://www.lang.osaka-u.ac.jp/~fukuta/semi/planck/ryosi1.htm ...続きを読む
★★★「どういった実験によって光速不変が分かったのか?」★★★

有名なマイケルソン=モーレーの実験(1887年)があります

http://www.big.or.jp/~isaacrc/superscience/kubota/part2.html
http://www.lang.osaka-u.ac.jp/~fukuta/semi/planck/ryosi1.htm
お礼コメント
nyonta

お礼率 46% (46/99)

ありがとうございます。その有名なモノを初めてしりました。
参考サイトもとても分かりやすく書いてあります。
本当にこういうものを待ってました、。
ありがとうございます。
投稿日時 - 2002-02-03 21:54:07


  • 回答No.2
レベル12

ベストアンサー率 27% (258/936)

質問1 相対性理論は、次の二つの前提から出発します。 〔1〕光の速さは、観測者によらず常に一定である(光速度普遍の原理) 〔2〕あらゆる慣性系は、物理的に同等である(特殊相対性原理) 「異なる観測者から見たときでも、光の速さが変わらない」ということは、相対性理論においては、”前提”なのです。つまり、これは、証明されるべき事柄ではないのです。相対性理論とは、「これら二つの前提が正しいとすると、どうな ...続きを読む
質問1
相対性理論は、次の二つの前提から出発します。
〔1〕光の速さは、観測者によらず常に一定である(光速度普遍の原理)
〔2〕あらゆる慣性系は、物理的に同等である(特殊相対性原理)
「異なる観測者から見たときでも、光の速さが変わらない」ということは、相対性理論においては、”前提”なのです。つまり、これは、証明されるべき事柄ではないのです。相対性理論とは、「これら二つの前提が正しいとすると、どうなるか?」ということなのです。

質問2
E=mc^2は、相対性理論の途中の数式の二項展開から、類推されたものです。

質問3
光も、相対性理論が出来上がった後では、特別なものではなくなってしまいます。
補足コメント
nyonta

お礼率 46% (46/99)

回答ありがとうございます。
はい、質問1で質問したかった事はその前提は何処から来たのかということで、
実験によってという事が分かったので、どのような実験か?という意味に変わってますね。
質問1の実験の内容が分かれば質問2も自動的に解決できますね。

>光も、相対性理論が出来上がった後では、特別なものではなくなってしまいます。
え?光速不変の原理って「相対論」ですよね。でしたら、光が一番特殊なモノじゃないですか・・・。(僕の勘違いでしたらすいません。)
投稿日時 - 2002-02-03 21:55:01
  • 回答No.1

単純に1番だけ。 こだわったとか、言えるのか、ではなくて、理論よりも先に、様々に工夫をこらした実験の結果として光速が不変であるという事実が見つかったわけです。 その事実を説明する理論が必要になり、どうやらアインシュタインさんの説明が一番的確だなあ、ということになったわけですね。 ...続きを読む
単純に1番だけ。

こだわったとか、言えるのか、ではなくて、理論よりも先に、様々に工夫をこらした実験の結果として光速が不変であるという事実が見つかったわけです。

その事実を説明する理論が必要になり、どうやらアインシュタインさんの説明が一番的確だなあ、ということになったわけですね。
補足コメント
nyonta

お礼率 46% (46/99)

なるほど。ありがとうございます。以外とこうやって単純に言われると、
納得できますね・・・。
という事は、

光が「ニュートンの(それまでの)物理法則」に当てはまらない現象を起こした。

別の法則が必要になった。

アインシュタインが「相対性理論」考えた。(帰納法的方法)

「何故相対性理論が正しい?」→上記の方法(帰納法的方法)により出来た事自体が理由!

という考え方でよろしいのでしょうか?
そうすると今度は、
★★★「どういった実験によって光速不変が分かったのか?」★★★
が気になります。参考URLで良いので分かりやすい所を教えて下さい。
お願いします。
投稿日時 - 2002-02-02 22:05:21
  • 回答No.4

>光の何が、特殊なのでしょうか? 質量が0であることです。 ...続きを読む
>光の何が、特殊なのでしょうか?

質量が0であることです。
補足コメント
nyonta

お礼率 46% (46/99)

回答ありがとうございます。

質量の定義にも依りますが、光は光子で出来ているという有力な論理ありますよね?
(「粒子かつ波」というモノも・・・)
この場合、質量は限りなく小さいかもしれませんが、0では無いような気がするんですが・・・
投稿日時 - 2002-02-03 21:44:20
  • 回答No.5
レベル10

ベストアンサー率 51% (86/168)

>この場合、質量は限りなく小さいかもしれませんが、0では無いような気がするんですが・・・ 光子は質量ゼロの量子です。 また、光(光子)だけが特殊というわけではなく、 質量がゼロの量子であれば誰が観測しても 光速度で飛んでいるように見えます。 ...続きを読む
>この場合、質量は限りなく小さいかもしれませんが、0では無いような気がするんですが・・・
光子は質量ゼロの量子です。
また、光(光子)だけが特殊というわけではなく、
質量がゼロの量子であれば誰が観測しても
光速度で飛んでいるように見えます。
補足コメント
nyonta

お礼率 46% (46/99)

とりあえず、ありがとうございます。

でも、色々な本&サイトを見てみると、「光電子」には質量があるみたいデス。
光電子と光子は別物なのでしょうか?

>質量がゼロの量子であれば誰が観測しても
>光速度で飛んでいるように見えます。

光子って止まる・動かない(速度0になる)事って無いのですか?
(絶対零度とかで・・・)
絶対零度って物質が運動をしない温度ですよね?
どうなのでしょう・・・
投稿日時 - 2002-02-08 22:55:33
  • 回答No.9
レベル10

ベストアンサー率 44% (58/130)

その昔、3?)と同様の疑問をもった者からコメントいたします。(相対論少し再勉強中...(^^;) 初学者向けの本で、いきなり「光」を多用するのは、悪い本です。「電磁波」というべきですね。この速さ(光速)は、ある特定のものの速さというよりは、(電磁場の変化を伝える)空間の性質そのものとイメージするのがいいです。空間に何かの変化が起こったとき、それはある有限の速さ伝播します。この速さを、電磁波の代表であ ...続きを読む
その昔、3?)と同様の疑問をもった者からコメントいたします。(相対論少し再勉強中...(^^;)

初学者向けの本で、いきなり「光」を多用するのは、悪い本です。「電磁波」というべきですね。この速さ(光速)は、ある特定のものの速さというよりは、(電磁場の変化を伝える)空間の性質そのものとイメージするのがいいです。空間に何かの変化が起こったとき、それはある有限の速さ伝播します。この速さを、電磁波の代表である光の速さで表している、こんな感じです。そして、媒質の満ちた絶対空間を否定するならば、この伝播速度は普遍であるべきだと確信したのがEinsteinです。

電磁波は、(電子の波のような)物質波とは基本的に異なるものです。電磁波は、場の量子論の考え方を使うと光子の集団とみなされるのですが、量子論に通じていない初学者向けの本では、光の粒子描像は使わない方がいいというのが私見です。どうか、光子と呼ばれる粒が適当な速さで走っているというようなイメージを持たないで下さい。
  • 回答No.8
レベル10

ベストアンサー率 51% (86/168)

>色々な本&サイトを見てみると、 >「光電子」には質量があるみたいデス。 >光電子と光子は別物なのでしょうか? 別物です。 光電子とは光電効果(光が金属面に当たった時に電子が飛び出す)で 出て来る"電子"のことですから、当然質量を持っています。 >光子って止まる・動かない(速度0になる)事って無いのですか? 光子が止まることはありません。 >絶対零度って物 ...続きを読む
>色々な本&サイトを見てみると、
>「光電子」には質量があるみたいデス。
>光電子と光子は別物なのでしょうか?
別物です。
光電子とは光電効果(光が金属面に当たった時に電子が飛び出す)で
出て来る"電子"のことですから、当然質量を持っています。

>光子って止まる・動かない(速度0になる)事って無いのですか?
光子が止まることはありません。

>絶対零度って物質が運動をしない温度ですよね?
厳密にはそうではありません。
量子力学的な話になりますが、零点振動をしています。
低温の光子気体の話は統計力学などの知識も必要ですので
ここでは避けておきます。
お礼コメント
nyonta

お礼率 46% (46/99)

ありがとうございます。
ミクロな話はまだ無知なモノで、色々質問しましたが疑問が解けました。

また、よろしくお願いします、
投稿日時 - 2002-02-14 21:27:58
  • 回答No.6
レベル7

ベストアンサー率 36% (9/25)

えー、それでは私は2)に対する回答らしきものをば。 下の参考URLをご参照ください。 3)に対してですが、他の方も答えられている内容を別の方法で書きますと 「光が特殊」なのではなく、 「真空中の光の速度」(秒速30万kmたらずだったかと思いますが)が、現在までの観測結果からしてどのように運動している立場から観測しても「不変」と観測される、ということなのです。 「光より速いものはない」とい ...続きを読む
えー、それでは私は2)に対する回答らしきものをば。
下の参考URLをご参照ください。

3)に対してですが、他の方も答えられている内容を別の方法で書きますと
「光が特殊」なのではなく、
「真空中の光の速度」(秒速30万kmたらずだったかと思いますが)が、現在までの観測結果からしてどのように運動している立場から観測しても「不変」と観測される、ということなのです。

「光より速いものはない」というよりは
「光より速いものは現在まで観測されていない」というのが正確な表現かと思います。
  • 回答No.10
レベル6

ベストアンサー率 20% (1/5)

もっと単純に考えて良いです。全宇宙にこの地球という物体以外何もなかったとしたら,自転というのは意味がある概念なのか?どういうことなのか というのが相対論の基礎となった考えです。つまり地球が太陽の周りを回るのでもその逆でもない全ては相対的。 ちなみに,全世界にひとつの電子しか存在しないとしたらスピンというのはいかなる意味を持つのか?というのがペンローズのツイスターです
もっと単純に考えて良いです。全宇宙にこの地球という物体以外何もなかったとしたら,自転というのは意味がある概念なのか?どういうことなのか
というのが相対論の基礎となった考えです。つまり地球が太陽の周りを回るのでもその逆でもない全ては相対的。
ちなみに,全世界にひとつの電子しか存在しないとしたらスピンというのはいかなる意味を持つのか?というのがペンローズのツイスターです
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