締切済み

光速の乗り物に乗って進行方向に懐中電灯をつけると

2015/01/02 00:23

有木巨智麿（@kothimaro）の回答

有木巨智麿（@kothimaro）
ベストアンサー率44% (11/25)

2015/01/05 02:00 回答No.5

補完されたご質問にお答えします。光は、光源の移動速度に影響を受けず、常に光速で進みます。宇宙には様々な速度で地球から遠ざかる天体があります。しかし、どの天体から地球に届く光も、地上では光速と観測されます。この事実は、光は波としての性質を持っていることを表しています。高速で移動するモーターボートの起こす波も、どんぐりが落ちて起こる波も、その伝わる速さは同じです。近づく救急車のサイレンも、遠ざかる救急車のサイレンも、同じ音速で伝わります。では、光とは何でしょうか。それを考えるには、何故光は光速を超えて進まないのかがヒントになります。光が粒子であれば、更にエネルギーを加えると、幾らでも速く動きそうです。しかし、現実にはその様なことは起こりません。それは何故でしょうか。現在の物理学では、「超ひも理論」が最も有力視されています。そして、宇宙を次の様に想定します。宇宙開びゃくの瞬間、宇宙は非常にエネルギーの高い状態にあり、個々の「超ひも」は自由に空間を動き回っていました。しかし、宇宙のエネルギーが、100GeVになった時、「超ひも」は第三回目の相転移を起こしました。相転移とは、水蒸気が冷えて氷となる様な現象を言います。水蒸気として自由に動き回っていた水の分子は、冷えて相転移を起こし氷の分子として固定され、もはや自由には動き回ることが出来なくなります。ここからは、私のオリジナルです。ビッグバンの初期には、「超ひも」は光速を超えて自由に移動していました。しかし、宇宙のエネルギーの低下に伴い、宇宙は相転移を起こし、「超ひも」は固定され網状に繋がったと考えます。そして、その「超ひもの網」の上を、物質や光及び重力・電磁力・強い力・弱い力の4つの力は、振動として伝わると考えます。つまり、物質が移動して見える現象は、実は超ひもの物質としての振動が、次々と隣の超ひもに伝わる現象であると思います。そして、「超ひも」の振動自体が光速で伝わるので、何ものも光速以上で伝わることは出来ないのです。超ひも理論では、物質も光も一本の超ひもの振動として表現されます。超ひもの長さをプランク距離Lと言います。振動が超ひもの端から端まで伝わるのに要する時間をプランク時間Sと言います。超ひもの振動は光速Cで伝わります。従って、光速C=プランク距離L÷プランク時間S=L/S= 1.616199×10^－35ｍ÷5.39106×10^－44秒=299,792.5km/秒となります。ここで注意したいのは、１本の超ひも上を光は光速で振動として伝わることです。そして、真空中も同じ光速で光は伝わります。これは単なる偶然でしょうか。真空中には、超ひもが繋がったものがあり、その上を光はそのまま光速で伝わっていると考える方が自然です。本来は物質も光と同様に、光速で「超ひもの網」上を伝わろうとします。しかし、「超ひもの網」である空間にはヒッグス場があり、物質がその中を移動すると、ヒッグス粒子が生じ物質にまとわり付き動き難さである質量を与えます。その為に、物質は光速未満でしか動くことが出来ないのです。この様に、私は、光も物質も「超ひもの網」上を伝わる振動であると考えています。超ひもの振動自体が光速で一本の超ひも上を伝わります。その振動が次々と隣の超ひもに光速で伝わってゆきます。上記の理由により、物質は光速にはなれませんが、ここでは、設問のとおり仮に自転車が光速で走ったとします。懐中電灯と自転車に乗っている私の目とは距離があります。ですから、懐中電灯から光速で移動する私の目に光が到達すると、その速度は光速を超えてしまいます。上記のとおり光は光速を超えることは出来ません。従って、懐中電灯の光は永遠に私の目には到達しません。従って、懐中電灯の光を見ることは出来ません。一方、光速度不変の原理とは、光の相対速度(光速で移動する私から見て、光が遠ざかりまた近づく速度)が不変であることを意味します。この場合、光の絶対速度は常に光速なので、永遠に私の目に光が到達しないので、「光速度不変の原理」は直接には関係してきません。ここで、光速度不変の原理を説明しておきます。「光速度不変の原理」とは、静止して光を観測しても移動しながら光を観測しても、光の速度は秒速30万キロと測定されると言うものです。例えば、時速100キロの電車を静止して観測すると、その速度は時速100キロです。しかし、時速50キロの車で追いかけながら電車を観測すると、電車の速度は時速50キロと測定されます。時速50キロの車に乗って電車と対面する形で観測すると、電車の速度は時速150キロと測定されます。移動する車から見た電車の速度を、電車の相対速度と言います。「光速度不変の原理」とは、光の相対速度は秒速30万キロで不変であると言うものです。つまり、光を秒速15万キロで並走しながら観測しても、同速度で光と対面する形で観測しても、光の相対速度は秒速30万キロで変らないというのです。これは、常識に反するため、大変理解しがたいのです。ではなぜ、この様な考え方が必要だったのでしょうか。電磁気力は、光の一種である電磁波が、電荷を帯びた物質間を往復することで生じます。そして、電磁気力の強さは物質間の距離の2乗に反比例します。つまり、電磁波が物質間を往復するのに要する時間の2乗に反比例するのです。電荷を帯びた2つの物質が並走しながら電磁波を交換すると、静止している場合に比べて、電磁波の往復距離は長くなります。即ち、電磁波の往復に要する時間が長くなるので、生じる電磁気力の強さは弱くなる筈です。しかし、現実には、静止していても移動していても、生じる電磁気力の強さは変りません。この謎を説明するために、アインシュタイン博士は、移動する2つの物質から見た電磁波の相対速度は、秒速30万キロで不変であると考えたのです。これで、静止していても移動していても、電磁波は同じ時間で物質間を移動します。だから、生じる電磁気力の強さは、物質の移動速度にかかわらず不変となると説明しました。しかし、幾らなんでも、秒速30万キロの光を秒速15万キロで追いかけても、同速度で光と対面しても、光の速度は秒速30万キロで変らないと言うことは理解出来ません。そこで次のような思考実験を行います。電荷を帯びた2つの物質を、一本の剛体の両端に取り付けます。そして、この装置を秒速vキロで移動させます。この2つの物質間を電磁波は往復します。この時、電磁波の移動距離は、進行方向(横方向)に剛体棒を向けた時静止時の1/（1－ｖ＾2/ｃ^2)倍、上下左右方向(縦方向)に向けた時静止時の1/√(1－ｖ^2/ｃ^2)倍となります。一方、秒速vキロで移動する物質は「ローレンツ収縮」し、横方向に√(1－ｖ^2/ｃ^2)倍短くなります。従って、剛体棒の長さは、横方向に√(1－ｖ^2/ｃ^2)倍短くなるので、電磁波の横方向の往復距離は、静止時の1/（1－ｖ＾2/ｃ^2)×√(1－ｖ^2/ｃ^2)=1/√(1－ｖ^2/ｃ^2)倍と、縦方向の往復距離と同じとなります。この仕組みにより、マイケルソンとモーレーの実験では、縦方向に往復させた光と横方向に往復させた光とが、同時に戻ることが出来たのです。従って、秒速vキロで移動する場合、電磁波の往復距離は静止時に比べて1/√(1－ｖ^2/ｃ^2)倍となります。つまり、電磁波の往復時間は、静止時の1/√(1－ｖ^2/ｃ^2)倍となります。一方、高速で移動すると物質は動き難くなります。この現象は、粒子を加速器で加速する際に見られます。粒子は光速に近づく程、加速し難くなります。秒速vキロで移動すると、静止時の√(1－ｖ^2/ｃ^2)倍しか動けません。従って、時計は1秒間に√(1－ｖ^2/ｃ^2)秒を刻む様になります。こうして、秒速vキロで移動する慣性系では、電磁波の往復に要する時間は、静止時の1/√(1－ｖ^2/ｃ^2)倍×√(1－ｖ^2/ｃ^2)倍=1倍となります。つまり、電磁波の往復に要する時間は、移動速度に関係なく不変なので、生じる電磁気力の強さも移動速度に影響されず不変なのです。この様に、現実には往路と復路の光速度は異なりますが、物理学の計算上一々往路と復路の光速度よりそれに掛る時間を計算し、生じる電磁気力の強さを求めることは無駄です。生じる電磁気力の強さは、電磁波の往復に要する時間の2乗に反比例するのであり、往復に要する時間は不変なのですから、往路と復路共に光速度不変と仮設して計算します。その様に仮設したのがローレンツ変換 (1)t’= (t－Vx/C^2) / √（1－V^2/C^2） (2)x’=(x－Vｔ)/√（1－V^2/C^2) (3)y’= y　(4)z’= z　(5)C’=C です。物質には質量があるので、上記のとおり高速で移動すると動き難くなりまたローレンツ収縮する為、光速度が不変と測定されます。 x=光の進んだ距離=Ctkm、t=光の進んだ時間、V=もう一方の光の速度=Ckm/秒を(1)と(2)に代入すると x'÷t'=C と光速度不変となります。この様に、様々な速度で移動する物体から見た光の速度は常にC速度と観測されると仮設して、物理計算をします。様々な速度で私が光と並走しても、私の時間がゆっくり経過するので、ゆっくりと進む光を見ても、光速と測定されるのです。しかし、ご質問の様に、私が光速で移動すると私の時間は止まってしまうので、光の速度を測定することが出来なくなります。