光速度不変の原理は正しい？

質問

この分野は素人ですが、光速度不変の原理のうち、特に「観測者が移動しても相対的な光速は不変である」点について理解が出来ません。
以下の質問を例に詳しい方教えてください。

【状況】

直線X上にそれぞれのキロポスト地点があり、この直線X上を
ロケットＡ…秒速５万キロ
ロケットＢ…秒速２０万キロ
光線Ｃ…秒速３０万キロ（光速）
がそれぞれ進むものとします。

【質問１】

（１）１時００分００秒に、ロケットＡは５０万キロポストから、ロケットＢは２０万キロポストから、それぞれ同一方向（０キロポストと反対の方向）に進んだ場合、１時００分０２秒に６０万キロポストでロケットＢがロケットＡを追い越しますか？

（２）この場合、ロケットＡからみたロケットＢの相対的な速度は秒速１５万キロですか？

【質問２】

（１）質問１の状況下で、さらに光線Ｃが０キロポスト地点から１時００分００秒に発射された場合でも、１時００分０２秒に６０万キロポストでロケットＢがロケットＡを追い越しますか？

（２）この場合、ロケットＡからみたロケットＢの相対的な速度は秒速１５万キロですか？

【質問３】

（１）質問２の場合、光線ＣはロケットＡおよびロケットＢを１時００分０２秒に６０万キロポスト地点で追い越しますか？

（２）この場合、ロケットＡからみた光線Ｃの相対的な速度は秒速２５万キロですか？それとも秒速３０万キロ（光速）ですか？

（３）（２）でもし秒速３０万キロだとすれば、ロケットＢの相対的速度が秒速１５万キロになるので、光線ＣがロケットＢを追い越すのは、４０万キロポスト地点で１時００分０１秒３３に追い越すことになって（１）と矛盾しませんか？
他方、秒速２５万キロだとすれば辻褄が合いますが、光速度不変の原理と矛盾しませんか？

回答No.6

moby_dick

アインシュタインの特殊相対性理論は間違っています。

物体の運動は、相対論以前の問題として、きちんと決まっています。
ロケットＡ、ロケットＢの位置も、追いつく位置も決まっています。
ロケットＡ、ロケットＢの相対速度は、単にｖA－ｖBです。

ところが、アインシュタインは、光速度不変をある間違った考えで理論に取り入れた為、
その理論は間違ったものになりました。

その間違いの一例で、その理論では、
例えば、ロケットＡおよびロケットＢの相対速度は、ｖA－ｖBでないです。

相対速度がｖA－ｖBでないこと、
これは現実に全く矛盾し、架空のものです。正しくないです。

この間違った、「相対速度がｖA－ｖBでない」などの計算の為に、
「４０万キロポスト地点で１時００分０２秒でない別な時刻に追い越すことになる」などの矛盾がでます。

お礼

まだすべては理解できませんが、参考にさせていただきます。
ありがとうございました。

回答No.5

kentarou2333

質問者の方の疑問は、まさに相対性理論ができるちょっと前の頃の物理学者の悩みと同じです。

光速度不変というのが知られていなかった頃、飛行機では音に追いつくことが
できるように、早くすすんだら光の進み方が遅く見えるだろうと思われていました。

それを確かめるために、とりあえず、地球が太陽の周りを公転しているのを利用してみました。

このスピードってけっこう速くて、だいたい秒速３０ｋｍなんです。

そうすると、光が真空に対して同じスピードですすんでいるとしたら、
地球のすすんでいる方向によって、少し光速は変わるはずですよね。

ところが、実験してみると、地球が公転でどっちに向いて進んでいても、
光の速さは変わらなかったんです！

この結果の意味するところは、質問者の方の質問３とも似ているのですが、
地球がどっちに進んでいても、光の速度が変わらない
（つまりロケットＡからでも、ロケットＢからでも光の速度は秒速３０万ｋｍに見える）
という事実を示しており、説明がつけられずにいました。

音は、もちろん地球の公転の影響を受けません。
音は、地球の空気を伝わっていきますからね。

それと同じように、地球と一緒に動いている「エーテル」なんていうのを考えて
光速度不変を説明しようとしたりしました。

それに対して、速く移動すると、時間の進み方が変わるという説明をしたのが、
特殊相対性理論です。

ロケットで、遠くにいって帰ってくると、みんなが歳をとっていたというのを
聞いたことがあるでしょうか？

速くすすむと時間の進むのが遅くなってしまうんです。

ロケットが２５万キロ進んだときに、光は３０万キロ進んでいます。

そうすると５万キロしか離れていませんが、ロケットの人は、時間の進み方が
遅いので、まだ１秒たったと思っていません。

実際は、時間だけでなく距離も変わってくるので、もう少し複雑になりますが、
概念としてはこんな感じかと思います。

追いついた、追い越したという位置関係は誰から見ても同じなので、
追い越す位置は、誰から見ても変わりませんが、何秒後に追い越したかというのは、
この場合は、ロケットの外の人と、ロケットの中の人では変わってきてしまいます。

お礼

まだすべては理解できませんが、参考にさせていただきます。
光速度不変の原理の根拠となる実験についても興味があります。
丁寧な解説、ありがとうございました。

回答No.4

tadys

「光速度不変の原理」つまり「真空中の光の速度は光源の速度や観測者の速度によらず一定である」は、観測的な事実です。

真空中で光の速度を測定すれば誰がどのように測っても同じ値になります。
これはこのまま信じるしかありません。これを裏付ける理論的な根拠はマクスウェルの電磁方程式です。

マクスウェルの電磁方程式が発表されるとすぐに電磁波の存在が予言されその速度が光の速度に等しいことから光も電磁波ではないかと言われました。
その存在を証明したのがドイツの物理学者ハインリヒ・ルドルフ・ヘルツです。
しかしこの事は当時の学者を悩ませます。光速度が不変であることが含まれており当時の物理理論であるニュートン力学とは相容れないものだったからです。
つまり、質問者の言うような矛盾が生じてしまうのです。

この混沌に対し単純明快な答えを提供したのがアインシュタインだったのです。
光速度が不変であることは事実であるから認めるしかない。これを原理にしよう。
ニュートン力学と矛盾するのならばニュートン力学を修正すれば良い。
こうして出来たのがアインシュタインの相対性理論なのです。

ここでは相対性理論の説明はしませんが、相対性理論を適用すれば質問者の問題は矛盾無く説明できます。
相対性理論については初心者向けの説明がインターネットや本で出ていますので調べてください。
間違っても「相対性理論は間違っている」系の話は見ないでくださいね。

お礼

まだすべては理解できませんが、参考にさせていただきます。
光速度不変の原理の根拠となる実験についても興味があります。
丁寧な解説、ありがとうございました。

回答No.3

shiara

No1の方が述べておられるように、質問者様が書いた状況は、それを見ている観測者Ｘが存在することを意味します。つまり、ロケットＡが秒速5万km/sで移動していると見える観測者です。質問には、ロケットＡから見た場合を聞いているものがありますが、それは、Ｘから見た場合とは異なっています。
　それでは、以下、質問へ回答します。
【質問1】(1)：これはＸから見た場合の話ですので、この通りです。
【質問1】(2)：Ａから見た場合ですので、秒速15万km/sではありません。約16.9万km/sになります。
【質問2】：【質問1】と何も状況は変わっておりませんので、上と同じ。
【質問3】(1)：これはＸから見た場合の話ですので、この通りです。
【質問3】(2)：Ａから見た場合ですので、秒速25万km/sではありません。30万km/sになります。
【質問3】(3)：Ａから見た場合、光が発射された時間は、ここで言う「1時00分00秒」ではありません。0.28秒になります。また、光が発射された場所も、０キロポストではありません。Ａから見て-50.7万km地点です。さらに、Ａが60万キロポストに到着する時間は、1.97秒です。つまり、光が発射されてＡに追いつくまでの時間は1.69秒であり、その間の距離は50.7万kmですから、光の速さは30万km/sとなります。以上のことは、ローレンツ変換によってＸとＡの座標を変換することで求めることができます。
　この手の問題を考えるときは、ＸとＡで距離や時間が違ってくることに注意することが必要です。このようなことが起こる理由は、光速度がどの慣性系で見ても同じであるためです。情報は光の速さより早くはやってきません。情報を受け取ってから初めて、いつ、どこで何が起こったのかを知ることになります。例えば、超新星爆発が地球で観測された場合、その爆発が今起こっていると思う人はいませんよね。その星までの距離が1万光年であれば、1万年前に起こったと思うはずです。このように、自分に光が到達してから初めて、いつ、どこで、が分かるのです。それが観測者によって違ってくるのは、当然のことだと考えるべきなのです。

お礼

まだすべては理解できませんが、参考にさせていただきます。
光速度不変の原理の根拠となる実験についても興味があります。
具体的な数字まで出していただき、ありがとうございました。

回答No.2

Tacosan

#1 に追加ですが, 「同時の相対性」という言葉も記憶にいれておくとよいかも.
「離れた 2点で起きた事象が『同時に起きた』かどうかは, 観測者によって変化しうる」というものです.
つまり, 止まっている人が「ロケットA, ロケットB と光線C はそれぞれの位置を同時 (= 1:00:00) に通過した」と観測したとしても, ロケットA やロケットB からはそのように (同時に通過したと) 観測されるとは限りません.
もちろん同じ点で起きた事象については, 「同時」かどうかは観測者によらず同じ答になります. この場合だと止まっている観測者からは「ロケットA, ロケットB と光線C は同時に 60万キロポストを通過した」と観測しますが, これはロケットA やロケットB からも同じく「同時に 60万キロポストを通過した」と観測されます... もちろん, 「いつ」通過したか, は異なりますが.

お礼

まだすべては理解できませんが、参考にさせていただきます。
光速度不変の原理の根拠となる実験についても興味があります。
ご回答ありがとうございました。

回答No.1

chie65536

高速で移動する物体は時間の進む早さが遅くなります。

ですので、客観的に全体を観測している観測者Ｘと、ロケットＡ上の観測者Ａと、ロケットＢ上の観測者Ｂとでは、流れる時間が違います。

ですので、０キロポストから発射された光線Ｃを観測した時、観測した瞬間の地点と０キロポストとの距離＆それぞれの観測者が身に付けた時計（任意の一瞬を見ると、全員、違う時間を差している）を元に光速を計算すると、全員が「光速は秒速３０万キロ」と答えます。

なお、観測者の速度によって時間の進みが違うので「何時何分に誰が誰を追い越す」と言うのは無意味です。

単に「ある地点において、ある速度で移動している観測者には、自分の時間軸の何時何分に誰かが誰かを追い越したように観測される」だけです。しかも、観測される「追い越した情景」は、追い越した瞬間に追い越し地点から発射された「光」が観測者の目に届く事により観測されるので、話はもっとややこしくなります。

お礼

まだすべては理解できませんが、参考にさせていただきます。
光速度不変の原理の根拠となる実験についても興味があります。
すばやいご回答、ありがとうございました。