走る電車の中で 懐中電灯を つけると どうなる

質問

ちょっと簡単な話題にします。
走る電車の車両があり、閉ざされています。
その車両の中の後方の内壁にＡ君が背中を付けて居て、前方のＢ君（車両の中の前方の内壁に背中を付けていて）にめがけて　懐中電灯で　光の　合図を出します。　カチッと　照らします。
逆に、Ｂ君が後方のＡ君に　懐中電灯で　合図します。
光が　双方に届く時間は同じでしょう。
でも、走っている電車の外で　地面に立って　この現象をみているＣ君からすると、電車のスピードが加わる分、Ａ君が前方にめがけて　発射した光の方が　スピードが　速いはずと　思うのですが、
空間　や　時間が　どう　影響しているのかな。

回答No.11

moby_dick · ベストアンサー

基本的な疑問のようなので、その説明をします。

光と言う波には、普通の、水の波や音波などと違う性質があります。
普通の、水の波や音波は、波の来る方向に対して観測者が近づいたり、遠ざかると、観測者に対する波の相対速度は変わります。
（極端な例は、その波の速さで遠ざかると、相対速度はゼロで波は止まります。）

ところが、光（電磁波）では違います。
光波は、波の来る方向に対して観測者が近づいたり、遠ざかっても、観測者に対する光の相対速度は不変で、常に秒速30万キロです。

どのように観測しても、必ず光速度不変です。
ですから、観測以前のこととして、光速度不変の性質がこの宇宙にあると考えられるのです。
（A君などや懐中電灯などが、どう動こうが、光速度不変で観測されます。）

光速度不変の性質は、理解しがたい不思議なことです。

光速度不変が発見されてから、物理学者は、少しでもこのことを理解しようとしてきました。

アインシュタインは、既にあった数式を解釈して、それで光速度不変が記述できるとして、彼の特殊相対性理論を提案しました。
（特殊相対性とは、光速度不変と言う、光の、特殊な相対的性質の意味です。）

ほとんど全ての学者が、彼の特殊相対性理論を正しいと信じています。

しかし、実は、彼の特殊相対性理論は基本的に間違っています。
彼は、光速度不変の理解、記述に失敗したのです。

彼の特殊相対性理論は、現実と矛盾する、単に数学的な架空の計算です。
実は、特殊相対性理論の式は、その架空の計算にしても、光速度不変になっていないです。
彼が、その式を考える時に、光をよく考えるのでなく、秒速30万キロの数字を単に入れたためです。
・・・

（振動数の変化のことは、ドップラー効果のことですが、
普通の波のドップラー効果と光の（特殊）ドップラー効果があり、同じところあり、違うところありで難しいので、説明はとりあえず止めます。
一つだけの説明は、
A君とC君では、A君が救急車としてサイレンを鳴らして止まっていて、C君がバイクで救急車の方に近づく時、サイレンの音の振動数が高く聞こえるのと同じです。）

お礼

光が直進せずに　重力で　曲がることも　あると聞きました。木星の重力で　曲がる。

だから、極端なことを言えば、光が進む　真後ろから　強い重力を当てれば、光が進む速さを　遅らせることができると思います。

それと同じで、光が進もうとする地点の真正面から重力を光の粒にあてがえば、すいよせられて、普通の光の早さよりも　もっと　早く進むと思います。

一生懸命ごせつめいいただいたのですが、水や音との波の話が理解できなかった。

ありがとう

回答No.10

moby_dick

実は、その問題を、アインシュタインも含めて、誰も究めていません。

観測される事実を述べます。

光は横からは観測できないので、C君はA君とB君の間に入って、電車と一緒に動かないで、それぞれA君とB君の方を向いて観測します。

(1)A君からの光は、A君が出した光より、振動数が高く、波長が短く、光速は不変でｃで、C君に観測されます。

(2)B君からの光は、B君が出した光より、振動数が低く、波長が長く、光速は不変でｃで、C君に観測されます。

(1)で、A君が出した光が、振動数が高く観測されるとは、出した瞬間から振動数が高く見られる訳で、A君の見かけの時間が進んでいることです。

同様に、B君の見かけの時間が遅れていることです。

アインシュタインの特殊相対性理論は、時間が遅れるだけですから、このことを記述できないで、
このことと矛盾しています。
つまり、彼のその特殊相対性理論は間違っています。

時間の遅れ進みが論じられた、正しい相対論で記述できます。

お礼

なぜａ君の出す光の振動数がｃ君にとって高く、つまり波長が短く観測されるのでしょう。なぜ高速は普遍なのでしょう。光源自体がつまり電車の後ろ壁が　どんどん前に進んでいるので、光の速さは、もっと早くなると思うのです。
たとえると、ビルの屋上からまっさかさまに懐中電灯をスイッチをオンにして落とすと、地面を照らす光のスピードは、ふつうの光よりも速くなると思うのですが。

回答No.9

nanashisan_

同じように疑問を持った人がいました。
その人は実験を行いました。実験精度をどんどん高めていっても光のスピードが同じという結論しか得られませんでした。
常識的に信じがたいことでしたがそれが実験事実なので、それに基づいて物理理論が再構築されました。それを相対性理論といいます。

お礼

色々　皆さんに　答えていただきました。

ありがとう。

でも　ぜんぜん　わからないのです。

どうしよう。

回答No.8

endlessriver

光速は一定です。これまでの議論は、光が到達する時間と言うことならローレンツ変換で計算できます。
x=γ(x'+vt'),t=γ(t'+vx'/cc),γ=1/√(1-vv/cc)
電車の慣性系をS'(x',t')、地上Cの慣性系をS(x,t)とし、S'でのAの座標を0,Bの座標をLとします。

(1)するとAがt'=0(x'=0)に出した光はS'(L,L/c)にBに達する。これをS系で見ると（ローレンツ変換より計算して）、発射はS(0,0)で、到着はS(*,(γL/C)(1+v/c))です。
以下の議論ではxの値は不要なので略。

(2)またBが（Aと同時に）t'=0(x'=L)に出した光はS'(0,L/c)にBに達する。これをS系で見ると（ローレンツ変換より計算して）、発射はS(γL,γ(v/cc)L)で、到着はS(*,(γL/C))です。

(1)と(2)のS系で見た発射と到着の時間差を計算すれば、以下の議論のようにBに到着する時間のほうがが大きいことがわかります。

お礼

＞＞　光速は一定です

なぜ　一定なのでしょう

重力で曲がって進むと　ＮＨＫで　言ってましたね、昔。　たぶん、木星の重力で　曲がるという話だったと記憶しています。

曲げることができるなら、光が進んでいる方向の逆から　つまり　後ろから　強烈な　重力で　引っ張れば、　光の前進スピードを　遅くすることができると　思うのです。

回答No.7

k_yuu01

特殊相対性理論の拠り所である、「光速度不変の原理」によればA君の発射した光もB君が発射した光も同じ速さです。要するに、光には発射元が動いていようが止まっていようが、その発射元の速度に依存しないのです。

そうすると不思議な結果に…

もしA君とB君が、「電車内の時計」で同じタイミングに光を発射します。すると、C君には、B君が遅く発射したように見えます。観測後、B君に問いただすと、「A君と同じタイミングだよ」と言い、A君もそう言います。

もしA君とB君が、「C君から見て」同じタイミングに光を発射するとします。すると、「なんで同じタイミングに光を発射しないんだ」とA君とB君がケンカを始めます。

結果から言うと、電車はわずかに長さが縮みます。つまり、空間が縮みます。
そして、A,B君とC君との間の不可思議さのように、互いの時間の流れが変わります。

お礼

光の早さが　異なるのではなくて

距離　÷　時間　の

分子の方、距離が縮む？？

分子が　小さくなるなら、　分母も　小さくならないと

答えである　スピードは　双方とも　同じということに　ならないのですが。

時間も　縮むという　？

あれ？　わかならい

回答No.6

noname#24622

No5です。

「電車内から見る現象と、外から見る現象に矛盾が生じていることになりますが」
と書きましたが、間違っているのは、「時間とは万人にとって同じ早さで過ぎる」という考え方のほうです。

動いているほうが時間のたち方が遅くなると書きましたが、その遅れ方は速度が光速に近づくほど大きくなります。

人間が実現できる速度ではその遅れ方は微々たる物です。例えば秒速20kmで進むロケットでも、16年間に1秒のずれしか生じません。

ちなみに私の回答は、某相対性理論の本を参照したに過ぎません。

お礼

ありがとう。

回答No.5

noname#24622

相対性理論の話ですね。

いまいち質問の設定がわからないのですが…。
設定を変えて、ボールで考えて見ます。

走っている電車の中央から前と後ろに同じ速度でボールを投げます。電車の中から見ている人にとっては、ボールは同時にそれぞれの壁にぶつかります。
外から見ている人にとっては、前に進むボールの速度は、「投げたときの速度＋電車の速度」で、後ろに投げたボールの速度は、「投げた時の速度－電車の速度」なので、外にいた人にとっても同時に壁にぶつかることになります。

次に、ボールを光に変えてみます。電車の中の人から見れば、光は同じ距離（電車の車両の半分の距離）を進むので同時に壁に到着します。このとき、電車の中の人から見た光の速度は秒速30万キロです。
一方、電車の外から見ても光の速度は30万キロになるわけです。光になると、電車の速度分だけ早くなるとか、そういうのは関係なくなるのです。光の速度は、どんな状況にある人が見ても秒速30万キロで一定なのです。
となると、電車の外から見ると、前に進む光が壁に到着する時間より、後ろに進む光が壁に到着する時間のほうが短くなります。つまり光は同時には壁に到着しないのです。

電車内から見る現象と、外から見る現象に矛盾が生じていることになりますが、このことは、結果的には動いている人と止まっている人では時間のたち方が違うということを意味しています。この辺の詳しい話は相対性理論の本を見るなりしてください。実際には、動いている人のほうが時間のたち方が遅くなります。

よくSFで、宇宙旅行に1年行って帰ってきたら地球上では何十年も過ぎていたという話がありますよね。それもこれにゆえんするものです。

時間のずれは、光の速度が速すぎるために非常にわずかしか生じないので、どんなに早く動いてもそのずれを実感することはできません。

お礼

動いている人のいる空間の時間と経ち方は、そうでない人より　遅い？　　

何でございましょうか　

それは　

日常離れしていて　どうも　しっくりこない。

光のスピードが　一定というのも　解せない。

北極点から半径５Ｍの距離に立つ人は、地球の自転で、およそ、５ｘ２ｘ３．１４＝３１．４Ｍだけ一日に空間を移動しています。たとえ、地面から動かなくても。

それから赤道ギニア共和国の人は、地球の自転で、ものすごい距離の空間を移動しています。たとえ、その地点から動かなくても。

そうすると、北極点に近くなるほど　時間のたちからが　早いのでしょうか。

何ということでしょう。　眠れそうに無い

回答No.4

a-saitoh

光の速度は一定です。外部から見ても、A君が出す光の速度は毎秒30万キロですし、A君から見てA君自身が出す光の速度も30万キロなのです。
ここに出てくる電車の例は等速運動で、特殊相対論の話なので、特殊相対性理論の易しい本とか、WEBをみれば解説が載ってますよ。

お礼

そうなんですか。

なぜ　３０万キロしか　すすめないのだろう。

もっと　スピードだせるような　気がする。

それでは、ジェット機や　スペースシャトルから　懐中電灯を　照らすと、　その光源が　すでに　猛スピードなので、　その光は、　そうでない　止まっているときの　光より　早いと　思うのですが。

あれ　書いていて　わかなくなった

回答No.3

myeyesonly

こんにちは。
大昔に物理で習った記憶を紐解くと・・・

光は、物質の振動（音や地震とか海面の波等）が伝わる物ではないので、物質の運動状態による、スピードの変化はないです。

つまり速度はどっち向きの光でも、中で見ても外で見ても同じ光速になる・・・と習った記憶が・・・(笑)

では何も影響しないのかというと、そうではなく、発行場所の移動により、相対的な距離への影響が出ます。

そうすると、振動数速度が同じなのに、距離が長くなったり短くなったりするわけです。

これにより、光の波長が変わります。
スピードが加わるべき方向には、距離は圧縮されるので、波長が短くなり、スピードが落ちるべき方向では、距離が引き伸ばされるので、波長は長くなります。

これをドップラー効果といいます。

お礼

すみません
分かりにくい。
スピードは、

距離　÷　時間。

それで、次に　何を　どの順で　考えたらいいのか。

Ａ発射の光と
Ｂ発射の光が

同じ速さだと　おっしゃるのでしょうか？

そうすると、　あれ　わからない。

回答No.2

inu2

ところで、C君って、走ってる電車の外って言いますけど、具体的にどこ？
横から？
後ろから？正面から？（轢かれるとかいうのは無しと過程）

電車ごときのスピードでは光の進む速度への影響は無視できる程度の速度でしかありませんよ

それとも、光のドップラー効果の事を言いたいのでしょうか？
遠ざかると赤みを帯びて、近づくと青みを帯びて見えますが日常生活内で人間が移動できるような速度ではこの現象を見ることはまず無理です

お礼

Ｃ君の場所は、電車が１０００Ｍ位走っていることを　実際に目視できる位の距離を置いて、地面に立っています。　つまり　横からです。　

無視できる程度の速度であっても、影響は　そうするとあるのですね。

ドップラー効果については　勉強します。　知らないのです（素人）。

回答No.1

northbig

あまり自信は無いですが
光の速さは約３０万km/sですから
電車のスピードなんて微々たるもので
厳密に言えば違うのかもしれませんがほぼ同じだと思います。

お礼

そうですか、そうすると
Ａ君が発射した光のスピードの方が　本当は　はやくて、でも　そのことは　電車の外にいる　Ｃ君だけが知っている。
ＡとＢ君は、各々が発射した光は　同じスピードだと思っている。

そういうことですね。

でも　光の速さは　一定と　雑誌で読んだことがありますが、やっぱり　早い光を　作ることは　可能なんですね。