動いている、光側から見た１秒という時間と外の観測者

質問

花火が爆発すると丸く四方八方３６０度方向に花火が広がるように、光も光源から四方八方３６０度広がります。
　以上を読まれて以下ですが！

　止まっている観測者側から見ると１秒間に発光源を中心に３０万キロメートルの半径
　　となり、結局は、１秒間で直径６０万キロメートルの球状の打ち上げ花火みたいなる。

　　それでは、今度は！
　　光源である、電球を発光させた場合、光速で飛んでいる光側から見た場合の”１秒とうい時間を測定した場合の１秒後には”光の直径”
　はいったいどれぐらいになっていると予想できますか。

回答No.5

有木 巨智麿（@kothimaro） · ベストアンサー

高速で移動すると、本当に時間の経過そのものが遅れるのでしょうか。

現実に高速で移動する時計は遅れます。また、時計に強い重力が掛かるとその時計は遅れます。実際に、GPS衛星搭載の時計は、高速移動するので地上の時計に比べて1秒間に100億分の2.55秒ゆっくりと時を刻みます。また、地上よりも重力の弱い所を回っているので、地上の時計に比べて1秒間に100億分の7秒速く時を刻みます。その為に、GPS衛星に搭載される時計は、地上では100億分4.45秒ゆっくりと進む様に調整されています。これで、軌道上に乗った時、地上の時計とシンクロするのです。

しかし、この事実から、高速で移動したり強い重力が掛かったりすると、時間の経過が遅れると言えるのでしょうか。それとも、ただ時計が動き難くなったので遅れただけでしょうか。このことを検証して見ます。

光速に近づく程、物質は動かし難くなります。これは、加速器の実験でも実証されています。相対性理論では、Vkm/秒で移動する物質は、静止時に比べて√(1－V^2/C^2)倍しか動かないと表現します。そして、カウフマンの実験で、その事実は確認されました。

つまり、Vkm/秒で移動する時計は、静止時に比べて部品が√(1－V^2/C^2)倍しか動かないのです。ですから、この時計は、1秒間に√(1－V^2/C^2)秒を刻む様になります。従って(1)t’=t*√(1－V^2/C^2)と相対性理論の変換式となります。そしての方程式は、GPS衛星搭載の時計の遅れと一致しています。時計に強い重力が掛かった時にも、時計の部品は動き難くなり、時計は遅れます。

一方、「時間の経過の遅れる仕組み」は考えることが出来ません。時間は他のもので組み立てることが出来ず構造を持たないので、その「変化する仕組み」を考えることが出来ないのです。この様に、時間自体が遅れる仕組みは永遠に明らかには出来ませんし、上記のとおり時間自体が遅れている訳ではないのです。

ここに原子時計があります。この時計は、原子が60回振動すると1秒を刻むとします。そして、Vkm/秒で移動すると、原子の振動回数は半分の30回となりました。その為、この原子時計は、1秒間に0.5秒を刻む様になりました。では、原子に流れる時間の経過が半分に遅れたのでしょうか。それとも、原子が動き難くなっただけでしょうか。
原子が光速に達すると、その原子は振動することは出来ません。少しでも振動すると、光速を超えてしまうからです。従って、時計は時を刻むのを止めます。このことからも、高速で移動する原子は動き難くなっていることが分かります。

そもそも、時間全体が変化しても何も変らないのです。DVDを早送りで見てもスローで見ても、ストーリーや結末は同じです。何故なら、時間の変化に合わせて、物質の変化のスピードも変化するからです。変化していない時間は無いので、DVD中の登場人物には、時間の経過が変化した事自体分かりません。
DVD内世界の一部の時間の経過が遅れた時、因果関係が変化します。高速で移動している部分のみ時間の経過がゆっくりとなるのは何故でしょうか。それは、高速移動する物質は動き難くなり、物質変化のスピードが遅れるからです。
これで、物質には移動速度に応じた時間の経過があることを、上手に説明することが出来ます。

アインシュタイン博士も、その著書「特殊及び一般相対性理論について」でm=m0/√(1－V^2/C^2)との方程式で、高速移動する物質は動き難くなることを表現した上で、「移動する時計は遅れる」と言われています。決して、「高速で移動すると時間の経過が遅れる」とは言われていません。これは、暗に高速で移動する時計の部品は動き難くなるので、その時計は遅れると言われているのです。

質問者さん、この様に時間そのものは停止することはありません。しかし、物質の移動速度が光速に達すると、もはやそれ以外の方向には動く事は出来ません。少しでも動くと、光速を超えてしまうからです。
つまり、高速で移動すると物質を構成する粒子の相対位置は変化出来ません。従って、この物質は変化することは出来ず、時が止まった様に見えます。光速で移動する時計は止まります。私が光速で移動すると、私の肉体は変化することが出来ないので、動きを止め思考も止まり年を取るのも止まります。
但し、物質には質量があるので、実際には光速未満でしか動く事は出来ません。

この様に、高速で移動すると物質は動き難くななり反応速度が遅れるので、あたかもその物質に流れている時間がゆっくりと経過している様に見えるだけなのです。一方、光には質量がないので、いくら高速で動いても動き難くなることはありません。従って、光にとっての1秒は通常の1秒であり、光側から自身を見ても、1秒後の直径は60万キロです。

お礼

ご丁寧に、分かりやすいご回答ありがとうございました。

　「高速で移動したり強い重力が掛かったりすると、時間の経過が遅れると言えるのでしょうか。」

　「物質の動きが早くなるにつれて、電子の動きもだんだんが遅くなり、物質じたいのストリームが遅くなる。」
　　そこで、時間との因果関係が生じる。
　動いている物の時間が遅れる考え方が分かるような気がします。

　光には質量がないので、いくら高速で動いても動き難くなることはありません。従って、光にとっての1秒は通常の1秒であり、光側から自身を見ても、1秒後の直径は60万キロです。
　了解しました。

回答No.4

Tann3

＞光速で飛んでいる光側から見た場合の”１秒とうい時間を測定した場合の１秒後には”光の直径”
　はいったいどれぐらいになっていると予想できますか。

　運動しているものから見れば、自分（＝発光源）を中心に秒速３０万キロメートルで光は進みますので、「直径６０万キロメートルの球状」になります。自分（＝発光源）はその中心にいます。

　止まっている観測者側から見ると、発行した位置を中心に３０万キロメートルの半径になりますが、この間に、発行した物体自身は、その中心から進行方向に移動しています。

　つまり、運動している光源から見ると、光は進行方向前方に「３０万キロメートル」進んでいますが、止まっている観測者側から見ると、光は運動する光源の前方に「３０万キロメートル　ー　V（光源の速度）」しか進んでいないのです。「光速度不変の原理」からすると、これは「両者の時間の進み方が違う」ということです。（光の速度が不変なのだから、時間の方を変化させないと、この光の進む距離の不一致を説明できない）

　これは、相対性理論の本を読めば、かなり始めの方に出て来る「同時の相対性」というやつです。
　こんなサイトを見てください。
http://www.geocities.co.jp/Technopolis/2061/child_ph/sotai_tokusyu2/

回答No.3

noname#212313

自分が他から見て光速度である場合ということですね。

　そうなった場合は、周囲の全てが光速度になります。不思議なようですが、光もやはり光速度です。

　電球から発光した光の一つになったとします。電球から出た1秒後には電球は30万kmの距離にあります。電球から出たときに自分のすぐ後ろ（電球と反対側）にあった光は、やはり30万kmさらに離れています。自分と同時に電球の反対側から出た光は、電球から自分と反対方向に30万km進んでいます。

　この状況を電球が静止となる立場ではどう見えるか。それはどの光も無限遠に離れているという状況になります。それはなぜか、ということになりますが、光速度の物体の時間は止まっているからです。

　最初の光の立場でみた1秒というのは、電球静止の立場の無限大の時間となります。さらに、ローレンツ収縮という空間ごと全てが収縮するという現象があり、光速度で移動する物体の長さは空間ごと0になります。進行方向の空間まるごと全て距離が0です。

　光の立場でのどんな短い距離でも電球静止の立場（電球に対して光速度未満の速度の慣性系でもよい、以下同様）の無限大の距離、光の立場でのどんな短い時間経過でも電球静止の立場の無限大の時間経過となります。しかし、光の立場からすれば電球静止の慣性系は時間の流れが止まっています。光の立場とは、そういう特殊な状況を生みます。

回答No.2

雪中庵（@psytex）

静止質量のある物体は、光速に到達できないので、
「限りなく光速に近い速度で」という話にしましょう。
運動する物体の時間は遅れ、光速に近づくにつれ停止
するので、光源と同じ慣性系にいる観察者にとって、
その時間の止まりかけているロケットにとって、一緒
に飛んでいる光子は光速のまま（だけど時間が少ししか
経っていないから近い）だし、ロケット内から見た光源
は光速に近い速度で遠ざかるので、光源にいる観察者の
時間は遅くなるので対して遠ざからない光子を光速だと
観察する。

「観察者にとって」必ず光は光速であり、それで矛盾す
る部分は、移動する観察者の時間が遅れる事で補われる。
いずれにしても「同じ時空に同じメンバーが同じ現象を
観察する」という絶対時空の考え自体を否定したのが
相対性理論であり、たとえば相対運動する毎に、互いに
相手の方が遅れ、異なる時空（パラレルワールド）を
生じており、無理やり矛盾を見つける意味はない。

回答No.1

tetsumyi

光自体に時間はありません、広がることもありません。
粒子のような光の密度が変わるだけです。
どんな遠くでも一瞬で到達します。
それで、光から見た１秒後というものは存在しません。

それゆえに、宇宙の果てからの光でも発生時の情報を正確に伝えることができるのです。
距離と時間が経過するのは、私たちの居る空間が時間と距離の函数となっているからです。