光速度不変の原理について

質問

例えば、ボールを壁に向けて投げると壁から跳ね返ってきます。壁への方向を＋とすればボールが壁に当たった瞬間はボールの速度が一瞬０になり、今度はーの方向の速度になるためですよね。同様に光を鏡に当てて反射させれば、鏡に当たった瞬間の光速度は０になり光速度不変の原理に反すると思いますが、実際はどうなってるのでしょう？

回答No.5

ohkawa3 · ベストアンサー

回答(1)再出
私の理解では十分に説明できませんが、光を反射する性質がある金属の比誘電率は、負の値で、絶対値が1より極めて大きい値とのことです。
この特性が、光を反射する性質の本質のようです。
https://www.optics-words.com/kogaku_kiso/Drude_model.html

光速は、誘電率と透磁率との積の平方根に反比例しますから、誘電率が大きな金属中では、光速は真空中に比べて遅くなるといって間違いないと思います。
とは言っても、ごくごく表層で起こる現象なので、現象として捉えることは難しいでしょう。

お礼

ありがとうございます。

URLを拝見しましたが、私には難しすぎて理解出来ませんでした。

光速って誘電率や透磁率などにも影響されるのですか。
そうすると、反射ではありませんが、太陽の光で北や南の極磁付近を通過した光は他の地域を通る光と速度が微妙に異なるということになるのですね。

回答No.7

69015802

No2です。ガラスの鏡だとガラスの厚み分の中を進む時の光速は遅くなりますから厳密にいうと少し進む距離は小さくなるでしょうね。しかし金属板を鏡面に研磨仕上げしたような鏡の場合はイコールになると思いますが。

お礼

度々のご回答ありがとうございます。

高額の反射式望遠鏡のような表面鏡なら同じになるんですね。

回答No.6

leo-ultra

光速度不変の原理の解説を読み直してみてください。
光速度が不変なのは、光が真空中を自由伝搬する場合だけです。
物質中の光の速度は、真空中の光の速度とは異なってもいいです。
（つまり、物質中の光は光速度不変ではありません。
　実際、水中の光の速度は、真空中の速度の2/3倍くらいに減速します。水の屈折率＝1.5位なので）

鏡に反射するということは、少しだけ鏡の中に入るので、
光速度は不変になりません。

お礼

ありがとうございます。

＞光速度が不変なのは、光が真空中を自由伝搬する場合だけです。

質問の書き方が光速にCを使ったのが悪かったと思いますが、密度などが変われば光速も変化するのは承知してます。

例えば大気中の光速を0.9Cだとして、同じ方向にマッハ３の飛行機で追いかけても、飛行機からは（0.9C－マッハ3）ではなく、やはり0.9Cの速度として観測されるのじゃないですか？つまり光の特性(性質）は真空中と同様な振る舞いをするのじゃないでしょうか。

＞鏡に反射するということは、少しだけ鏡の中に入るので、・・・

光が鏡に反射する原理について勉強してみます。

回答No.4

veryyoung

光速は波の伝播速度ですから、ボールとのアナロジーは適当では無さそうです。より近いのは音波でしょうが、その反射過程に音速零なる瞬間は登場しません。たとえ音速不変であっても矛盾は生じません。

波動は、f( kx - wt )、進行速度 w / k　のように表現され、質点とは異なり、x 方向に広がり長さをもった存在であって、質点のような衝突の瞬間なるものは存在しません。

お礼

ありがとうございます。

難しい数式は私の頭では理解出来ませんが、波というのはエネルギーが伝わっていく状態のことだと思います。
となると、単純に考えてエネルギーの進行方向を変えるのに全く時間を要さないというのが私には難しいです。もう一度基本から勉強してみようと思います。

回答No.3

69015802

No2です。
物の反発の場合、力学的に質量体積弾性係数など様々な要素から跳ね返るときに接触している時間があります。しかし光はそのいずれも持たないため方向が変わる時間も０ということだと思うのですが。

お礼

ありがとうございます。

例えば、１ｍの間隔を空けて２枚の鏡を向かい合わせに置き、光を双方の鏡の間で何回も反射させた場合についてですが、仮に1万回反射させると光は合計10,000ｍ進むことになりますよね。で、鏡を使わずに10,000ｍ直進させた場合でも、それに要する時間はどちらも全く同じなのでしょうか？

回答No.2

69015802

光速度不変の原理というのはそういうことではなくて「観測者の状態にかかわらず観測者から見た光の速度は一定」ということです。
非現実的な例え話ですが、上空をほぼ光の速さで飛んでいる飛行機があり、その飛行機から前方に向けて光を照射します。地上から見ると光は飛行機よりわずかに速いだけですが、飛行機に乗っている人から見ると光の速さで進んでいきます。言い換えれば動く速度が光の速さに近づくほど時間が遅くなるということです。

補足

＞「観測者の状態にかかわらず観測者から見た光の速度は一定」ということです。

それは承知しています。
なので、鏡に反射させた光は進む方向が反対になる瞬間に速度が０にならないのか？つまり観測者から見た光の速度は一定にならないと思いますけど・・・。

回答No.1

ohkawa3

光速が一定なのは、真空中の現象です。
物体中を進む速度は、物体の誘電率と透磁率の値に依存して真空中よりも遅くなります。なお、空気などの気体の中を進む場合は、誘電率と透磁率の値が真空中とほぼ等しいので、日常的な範囲では、真空中の速度との差異を意識しないで「速度不変」と言っていると思います。

光速：
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%85%89%E9%80%9F

以上は前置きで、これからが本論です。

ゴムボールが壁に当たって反射する場合は、ボールの運動エネルギーが衝突の過程で、ボールが変形することで機械的エネルギーに変換され、再度形状が元に戻る過程を経て運動方向を変えるので、時間がかかります。
光の場合は、鏡の反射面に光が当たっても、ボールが変形するような時間を要する物理現象は発生しないで、反射面の数原子層程度の極めて薄い領域で、物体の変形などなしに反射現象が起こるので、反射に要する時間を意識しないで済んでいるのだと思います。

細かな議論に踏み込み、原子レベルで反射面の性状を表せば、光が反射するにも僅かな時間を要していることを計算できると思います。

原子レベルで反射面の性状を表すということは、反射面は平らな面ではなく、原子核が格子状に並んでいて、その周りは隙間だらけの状況です。光（電磁波）は、隙間の中に侵入しますが、格子状に並んだ物体との相互作用で、跳ね返される現象が起こていると説明されると思います。

お礼

ありがとうございます。

＞格子状に並んだ物体との相互作用で、跳ね返される現象が起こていると説明されると思います。

その格子状の物体の個々に跳ね返される瞬間の場合、速度はどうなるのですか？
光の進む方向が＋から速度０を経由せずにーの方向に進むのでしょうか？