マイケルソン＝モーレーの実験での空気の影響

質問

マイケルソン＝モーレーの実験がどの様な状況下で
行われたかはわかりませんけど、８ｋｍもの距離が
あるものを真空中でしたのではありませんよね。
　そこで疑問が浮かぶのですが光の空気への影響は
考えなくてもよいのでしょうか？
　空気の粒子への距離が近ければ重力も大きくなり
一般相対論も適用できますよね。そうなると無視も
できなくなるように思いますがどうでしょうか。

回答No.7

ryumu · ベストアンサー

おもしろそうな話をしてますね。参加させてもらいましょう。

まず、「８ｋｍ」というのはフランスのフィゾーという人が、たぶん初めて （１８４９年）地上で光速を測ったときの距離（約８．６ｋｍ）のことではないでしょうかね？ちなみに光速は既に天文学的には測定されていました。

で、マイケルソン-モーレーの実験は、地球の運動方向によらず光速は一定であった、という実験で、空気中、水中、二硫化炭素中でも行われています。彼らはさらに流水中でも測定を行っています。流水中でも光速は、流水の流れ（およびその向き）にほとんど影響しないという結果になりました（各媒質中間の速度は当然違いますよ）。

ご質問における、空気（媒質分子）の影響ですが、マイケルソン-モーレーの実験は装置の向きを変えて光速を測定しているだけなので、おっしゃられている空気分子の重力（これもたいがい弱いの本当は無視できるのですが）の影響は方向に依存せず同じになるはずです。したがって、その効果は速度の差には効かないのです（むしろ効いてくるのは、”地上での測定が慣性系ではない”ということのほうでしょうね）。

光の空気に対する影響ですが、物質と光の相互作用については、何度か違う質問で答えてます。

光は電磁波なので、振動する電場・磁場が、分子の電子、陽子あるいはスピンと相互作用します。

たとえば真空中から何かの媒質中に光が通過しようとすると、これらの相互作用の存在により、光は進行を妨げられるので、光は「最小作用の原理」により最短時間で通過できる経路を探し進行します。これにより真空中の進行方向とは媒質中の進行方向は異なることになります。これが屈折です。重力は弱すぎて効きません。

お礼

予想以上の答えをありがとうございます。

　流水中でも同じだったのですか。でもフィ
ゾーの実験では媒質の速度に光が影響を受け
ていたから、もしかしてとおもったのですが
。

　光の屈折での最小作用の原理のその先が知
りたいのです。でもこの質問は別な質問で挙
げたいと思います。

回答No.6

stomachman

「光は空気とどのような相互作用をするか」という事が本来のご質問の主旨なんでしょうか？

「なぜ、光は空気中を伝わるのか」より一般的には
「なぜ、（ガラスのような）物があっても光が透過できるのか」そして「なぜ、真空中より光速が遅くなるのか」

だとすれば、改めて、質問を立てた方が良いと思いますが。

回答No.5

stomachman

補足を見ましたが...
　もしかすると「発生源となる物の外側で見ると、発生源の形によらず、重力場は全く同じである」という事実を、発生源となる物の内側にまで拡大して適用していらっしゃるのではないでしょうか。これは誤りです。例えば地球の中心をくりぬいた薄い殻の話における重力場は、殻の中心からの距離rに依存して性質が異なります。無限遠点から殻の外側(r=A)までは、質点が生成する場と同じで、ポテンシャルが-1/r という形です（比例係数は省略。ご承知と思いますがポテンシャルの一階微分が重力の強さです）。しかしr=Aから殻の内側(r=B)までは(r^2-A^2 + 2(A-r)B + 2B-2A) / (2A(A-B))という２次式で表され、そして殻の内側では-(A+1)/(2A) という一定値になる。そして、重力が最大になるのはr=Aの位置に於いてです。つまり質量分布と同程度以下にまで近接した場合、場はまさに質量分布の大きさに依存しています。
　実際、地球を考えても、地表が一番重力が強い。そしてその地表においても光を曲げる効果などほとんどありません。ましてや軽い分子おいておや、です。
　逆に、「発生源の形によらず、質量が同じならその発生する重力場は全く同じである」が本当なら、どんな物でも中心に近づくにつれて重力場は幾らでも大きくなり、従ってどんな物でも皆ブラックホールになってしまう筈ですね。これはおかしいでしょう？

補足

重力場である必要もなかったのですけど、光の
が影響を受ける理論が一般相対論しか浮かばな
かったものですから。
　あと知っていることといえば光が電磁力の媒
介粒子であることが関係するかどうかというこ
とでしょうか。

＞光を曲げる効果などほとんどありません。ましてや
＞軽い分子おいておや、です。
　ではいったいなぜ、光は屈折したりできるので
しょうか？
　空気が光に何らかの影響を与える事はたしかで
すよね。

回答No.4

stomachman

ものの大きさと重力の関係の説明が必要なようです。
たとえば地球の芯をくりぬいて、厚み100kmしかない殻を作ったとします。内部の空洞に入ると、殻から受ける重力は（空洞中のどこであっても）ゼロになります。逆に言えば、100kmの深さの井戸を掘ってその底に入ると、地球の表面から100km分からの重力の寄与はゼロであり、ちょうど地球が半径100km小さくなったのと同等の重力しか働きません。
　質量の広がりの内側に入り込むと、重力はその分小さくなるわけです。これはニュートン力学の簡単な計算で出せる結果です。

補足

場を考えるのに大きさは必要あるのですか？
　この問題に関しては質点で十分だと思ってい
ましたので大きさは考慮していませんでした。

　でも思うのですけど原子の中心を原点とした
場合、原子の半径よりも外に質量は存在するの
ですか？（他の原子はおいておいて。）
　少なくとも半径の所までは重力場は増えると
思いますが。

回答No.3

stomachman

さすがtullioさんの厳しい指摘です。最後の段落でおっしゃっているように、核子の中のQuarkに見事ヒットする確率は確かに理論上全く0ではないですね。

　しかし、ご質問の問題では、このような事が生じたとしても、他の散乱（主に、空気中の塵、局所的な気体密度のむらなどによる）が生じた場合と何の違いもない。偶然散乱された問題の光子は軌道大きくそれて、検出器にはまず到達できません。このロスは至る所で（レンズでも鏡でも）起こるので、多量の光を使って観測する場合、「帰ってくる光が少し減っている」という効果しか生じません。
　従って、空気の分子の重力効果は、実験結果には全く影響がありません。

補足

散乱や屈折による影響などではなくて、空気の場
による影響を知りたいのです。
　この実験で光の媒質は真空となっていて地球の太
陽に対しての速度差が出なかったことから特殊相対
性理論が考えだされましたよね。
　でも地球には空気があってその空気は地球だけを
とりまいているのです。その空気の影響で速度差が
出ないことはないのでしょうかということを聞きた
いのです。
　説明不足ですいませんでした。

回答No.2

tullio

記憶に頼ってますが，マイケルソン・モーレーは，地球の運動に対して光速が変化するかどうかの測定でしたよね．光を光子と考えたときの回答をstomachmanさんがなさっているようなので，波動と考えた時の回答をしましょう．
空気の密度が激しく場所により異なれば，*空気の光への影響は考えなければなりません*．密度によって，光は進行方向も速度も変わるからです．しかし，実験に影響を及ぼすほどではなかったってことです．
ちなみに，物理学の世界では重力が引き起こす重力や重力が引き起こす電磁場なども話題になっており（一部で？），小さい粒子と相互作用する重力も面白い話題ではあります．

補足

不勉強なのでわかっていないのかもしれませんが、
光の屈折は何故起こるのでしょうか？
密度の違いといわれてもピンッとこないのです。
光にどのように影響を与えるのか教えていただけ
ないでしょうか。

回答No.1

stomachman

「マイケルソン＝モーレーの実験」は彼らが一度だけやった、というものではなく、真空中も含めいろんなグループによって何度も様々な方法で追試されています。何しろ決定的に重要な実験ですから。ただ、同じ名称がこれらの光速不変の検証実験の総称としても使われることがあるので誤解されやすい。
　空気の粒子（窒素分子、酸素分子）に近接することによって、重力場が効く、ということはないです。なぜなら、これらの分子は点ではなく広がりを持っている。分子の近くで、分子自身の質量による重力が多少とも意味を持つほど大きくなる場所はありません。
　ところで8kmという数字はどこから出たのでしょうか？まさか「相対論はよく分からないから間違い！」系のトンデモ本じゃないでしょうね？

補足

すいません。８ｋｍというのは勘違いでした。
２２ｍでした。本当にすいません。

分子に近づくにつれて重力以外の力も強くな
りますけど、重力場が無くなるなんてことは
ありませんよね。