電車の中／電車の外での光の見え方について

質問

みなさん、こんにちは。アジポンといいます。

アインシュタインについてのTVや、ホームページなどを見ていると、
電車の中の人の見る光と、電車を外から眺める人の見る光の通り道は違う。と出ていたりします。
だけれども、私には何故どうしてそうなるのかという説明が、納得できません。

例えば、
電車が東の方向に向かって走っているとします。
電車の天井から、電車の床に向けて光を発射すると電車に乗っている人には、光の通り道が下記
のように見えて、
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電車の外からそれを見る人には下記のように見えるとあります。
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しかし、私には電車の中にいる人も、本当は下記のような光をみているのではないかと
思えてなりません。
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電車の中の人は、光と一緒に東の方向に移動しているのだから、光は実際には斜めに動いていても、
それと一緒に自分も動いているのだから、電車の中の人が本当は斜めに動いている光の移動を見て
いても、「自分が見ているのは直線だ」となるのではないかと思ってしまうのです。

変な例えですが、この電車の中の人がスクワットをした場合、この人の「頭」は電車の中では上下して
いるけれども、電車の外から見ると下記のように「頭」が移動しているっていうのと光のとは同じなん
じゃないかと思ってしまうのです。結局は「頭」の位置は下記のように移動しているんではないかなと。
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回答No.5

ret · ベストアンサー

そうです。まさにその通りです。
光の軌跡は観測点により変わります。
これは光だけではなく、運動する系の中にあっては、
全ての物理的軌跡が変わります。
(併し、系の中でも外でも「物理法則」自体は同じです。)
結局は「観測点により見え方が違う」というのが大事です。

然も重要termまで出てきましたね。
>絶対空間
これはあらゆる全ての系に対し「静止」しているという
基準となる空間を指しているのでしょうか?。
これは静止空間と呼ばれます。
近代物理確立以来多くの物理学者がこの静止空間を捜し求めました。
(何しろ今まで静止していると考えていた地球そのものが
動いているので、静止した空間を模索したのです。)
最終的にエーテルが絶対静止として考えられましたが、
特殊相対性理論によりこれは打破されました。
絶対静止空間があろうがなかろうが、
基準となる観測点を考えることが必要です。
電車ならそれに大して静止していると考えられる「駅」を
観測点とするといった具合です。
実際は「駅」は他の系に対して「運動」しているのかもしれません。
併し、電車に対しては「静止系」として考えてもいいですよね。
この相対的な観測点を考えるから
「相対性理論」なのです。

お礼

大変申し訳ありません！。
今現在（2003年11月5日）まで、ret様がANo.#5の御回答を下さったことに気づいていませんでした。何度かチェックをしていたのですが、見落としていました...。
本当に申し訳ありませんでした。

回答No.4

ret

見方を変える…という部分はあっています。
常々思うことなのですが、特殊相対性理論の難解なところは
数式ではなく(数式は簡単ですよね…(^^;)
「系によって視点を変える」という部分です。
それも「光速度に近い等速運動」をしているという系に対してですから、
余計に難解・複雑なのでしょう。
併し、V字の斜辺と直線は同じ長さにはなりませんよね。
中学生の「ピタゴラスの定理」からも導かれますよね?。
x^2+y^2 = z^2;
俺はAJIPONさんが既に答えを出しているような気がするのですが…。

>電車の中の人が見ている直線の
軌跡も「おんなじもの」を視点を変えて見ているようにしか思えません。

そうですよ。光は唯、等速運動している電車という系の中で
直進しているだけです。
併し、電車に対し「停止」している系からは
光が斜めに進んでいるように見えるだけです。

仮に、
等速運動している電車の天井から床に対して空き缶を落としてみましょう。
電車の中の人にとっては垂直に落下しているように見えますよね。
併し、駅からこの等速運動している電車を見た人は、
空き缶が放物線上に落下しているように見えるはずです。
電車内では初速度0ですが、電車外では初速度に電車の速度分が与えられます。
って事でお分かりいただけますか?(^^;。
(説明が下手で申し訳ありません。)

お礼

retさん、ご回答ありがとうございます。
気のせいか、なんとなくわかったような気が...。

実物の光が「実際に」移動した軌跡を空間に残していくとして、
その実物の光の軌跡を電車の中の人の視点でみた場合と、
その実物の光の軌跡を電車の外の人の視点でみた場合があるということなのでしょうか？
（あれ？なんか私はこのことを質問していたような気が...。）

仮に絶対空間というものがあるとしたら、光が絶対空間に残す軌跡はどのようなものかはわ
からないけれども、とにかく、電車の中の人にはその軌跡が直線に見えて、電車の外の人に
はＶ字型に見えるということでしょうか？

回答No.3

ret

光が軌跡を黒い点として残すとするならば、
反射する光の軌跡はおっしゃる通り
電車の車内では直線に、車外(電車に「対して」停止と仮定した系)では、
Vの字形の軌跡を残すでしょう。
仮に光を放って、反射して戻ってきた時間を1秒としましょう。
車内では直進に進んで、直角に反射して直進して戻ってきて
1秒となります。
これを電車に対して停止している別の系で観測すると、
斜めに進んだ光が斜めに反射して戻ってきて1秒となります。
直進より斜めに進んだほうが距離は長くなりますよね…。
光の速度は光源・観測者の運動に関わらず一定です。(光速度不変の原則)
距離が伸びたのに速度が同じものとして観測されるのはなぜでしょう…。
それは時間が長くなったから…と考えられます。
車内の時間は車外から観測するとゆっくり流れるのですね(^^;。
(最も実際には距離も「ローレンツ収縮」を起こして、
短くなりますが…。)

う～んと…。解っていただけましたでしょうか?(^^;。

お礼

ご回答、本当にありがとうございます。
...申し訳ありません。やはり私にはどうしても納得できません...。
電車の外から眺めている人の見ているV字型の軌跡も、電車の中の人が見ている直線の
軌跡も「おんなじもの」を視点を変えて見ているようにしか思えません。
例えば、V字型の棒は、見方を変えると直線に見えるように...。

２つの軌跡は、同じものを別の角度から見ているように思えてしまうのです。
もともとは同じものなのだから、軌跡の長さも同じなのではないかと思うのです。

回答No.2

ret

?
質問の中に既に答えが出ていませんか?(^^;。
特殊相対性理論の話ですよね…。

＞電車の中の人は、光と一緒に東の方向に移動しているのだから、光は実際には斜めに動いていても、
それと一緒に自分も動いているのだから、電車の中の人が本当は斜めに動いている光の移動を見て
いても、「自分が見ているのは直線だ」

光が実際に斜めに動いていることはないです。
それは外の系から見た際に斜めに動いているということです。電車の中は一つの系ですよね。
系の中で光は直進しようとします。
同一系にいる観測者は、当然光は直進して見えます。
が、別系の観測者にとっては光が直進しているのではなく
斜めに移動しているものとして観測されます。

って事を既に質問の中で貴方ご自身が導き出していらっしゃいませんか?(^^;。

お礼

ご回答、ありがとうございます。
困ったことに、自分が導き出している...という実感が全くないのです...。うぅ(T-T)。
＞系の中で光は直進しようとします。
ありえない話ですが、 例えば、光が空間に自分が通った道に黒い点を残していくとします。
そして電車の天井から床に向けて光を発射した場合、電車の中の人は、電車の天井から床にかけての
黒い直線をみることになるのでしょうか？そして、電車の外の人にはV字型の黒い線を見ることになる
のでしょうか？

回答No.1

ranx

ひょっとしたら、電車の中の人が「本当」の光の通り道を見ていて、
電車の外の人は、たまたま電車と反対向きに動いているために
そんな風に見えているのかもしれませんね。
というのが相対性理論の出発点です。

お礼

ご回答、ありがとうございます。
つまり、どちらが「本当」の通り道かはわからない。ということなのでしょうか？
う～ん。あたまがこんがらがってきて、自分が何を考えているのかよくわからなくなってきます(ToT)。