光時計の光が斜めに飛ぶのはどうしてですか。

質問

宇宙船の中で床から天井に向かって垂直に発射した光を宇宙船の外で静止した人からみると、宇宙船の移動にあわせて、光が斜めに進むのはどうしてでしょうか。そうならないと、宇宙船の立場と外の立場で、同じ出来事に対して違うことが起きるからということでいいのでしょうか。他に理由はありますか。

これは、特殊相対性理論の入門者に時間の遅れを説明するのによく出てくる話ですが、どうして、斜めに光が進むのかの説明がありません。また、これは光速度不変の原理とは別の性質だと思います。

光が斜めに進むことは何という原理にもとずく現象でしょうか。

回答No.5

veryyoung · ベストアンサー

１）静止観測者から見て、宇宙船内の時間は遅れるだけでなく、船内位置に関し時刻差異が生まれることはご存じですか。船尾時刻は船首時刻より進んでいます。本件で重要なのは、こちらの時刻傾斜です。
２）ホイヘンスの原理はご存じですか。波面に垂直に光は進みます。

有限の太さの光ビームをイメージしてください。床から天井への垂直な光であっても、静止観測者にとって波面は床から同時に放たれるわけではありません。船尾に近い側が先んじていますから、伝播方向は、斜めになり、船に追従します。

https://okwave.jp/qa/q6830534.html
の回答No.8、回答No.9　に図入りで、より詳細に述べてあります。
当該質問者様には理解していただけなかったようですが。

お礼

ありがとうございます。

回答No.4

Nakay702

＞宇宙船の中で床から天井に向かって垂直に発射した光を宇宙船の外で静止した人からみると、宇宙船の移動にあわせて、光が斜めに進むのはどうしてでしょうか。
⇒以下のとおりお答えします。

光自体が斜めに進むのではないと思います。
「宇宙船」は独立の慣性系で、「その外で静止した人」も独立の慣性系です。宇宙船という慣性系内で発射された光は、いわゆる絶対空間に沿ってまっすぐ進みますが、宇宙船の外の別の慣性系から見ると斜めに進むように見えます。なぜか。それは、《移動する宇宙船を静止しているものと見立てて、それとの相対関係において光の動きを見るから》でしょう。

パラパラ漫画風に、移動する宇宙船とその船内の床から真上に向かって直進する光の経路をコマ送り的に描き、そのあとで宇宙船を最初の位置に固定したまま光の軌跡を描くと、その光は斜めに進んだように見える、というように理解すればよいのではないでしょうか。より絶対的な定点であるはずの光の発射点（およびその軌跡）を基点とすべきであるところ、《空間に定位づけることが困難なので、相対的な位置取りでしかない宇宙船内の発射点を定位置と見立てた》ところに誤解の源があったのかも知れません。

要するに、移動する宇宙船という慣性系内で発射された光は真上に直進したが、その系外に静止する別の慣性系からそれを観測する際、移動する宇宙船を基準にして（＝静止しているものとして）見ると、光が斜めに進むように見える、と要約できると思います。
そして、（よく分かりませんが）宇宙船内の人にとってそれは、光が天井に到達するのにより多くの時間がかかる、つまり、宇宙船という慣性系内の時間がそれだけ遅れる、ということにつながるのでしょうね。

回答No.3

kon555

>>どうしてそうなるかの説明がほしくなります。どうしてですか。
　お恥ずかしながら、こういう事のようですよ、というご紹介しかできません。
https://yokkun831.hatenablog.com/entry/2018/11/13/102903

回答No.2

head1192

分かりづらいなら、散弾銃のように四方八方に光子というボールが発射される銃をイメージするとよい。
そのうち１個は宇宙船とともに移動するゴールに命中するはずである。

斜めになることにより経路が長くなる。
当然光の到達は遅くなる。
宇宙船の乗員から見ると１秒で到達するのに外（静止している観測者）から見ると１秒では到達しない。
ここから「宇宙船の乗員」と「観測者」との時間の同時性が否定されるのである。

光が斜めに進むこと自体には大した意味はない。
最初に述べたとおり光源を散弾銃にしてしまえば済む話である。
この宇宙船の話のポイントは「光の進行経路が異なってくる」ということにある。

お礼

回答ありませんございます。

補足

とりあえず、タメ口はやめてください。

レーザー光線を発射したとすると、どうなりますか。レーザー光線は八方には飛びません。その一筋しかない光線が宇宙船の中では真上に飛び、外の静止系からみると斜めに飛ぶのはどうしてですか。

回答No.1

kon555

光は光源の慣性系に対して静止しているように振る舞うから、だったかと。
　厳密性を犠牲に分かりやすく考えるなら、光は慣性の法則に部分的に従う、と思えばいいです。

お礼

回答ありがとうございます。あなたからいただいた他の回答にも、(いつか)必ず返信します。

補足

天井の真上の部分で光を感知すると宇宙船が爆発する装置があるとします。

もしも、光が斜めに進まないと、宇宙船の立場では宇宙船は爆発し、宇宙船の外では宇宙船は爆発しないということが起きてしまいます。

そうならないための原理の名称はありますか。

これは、「慣性の法則が一部成り立つから」という理由でいいのでしょうか。ただ、それには、方向(ベクトル)だけ慣性の法則に従い、速度の大きさは従わないということになりますが、どうしてそうなるかの説明がほしくなります。どうしてですか。