なぜ 光速度=C なのでしょうか？

質問

速度の上限としての Ｃ　と光速度が等しいとどうして言えるのでしょうか？

光子には測定できないほどわずかな質量があって、光速度もまたＣよりごくわずかだけ遅いということは考えられないのでしょうか？

回答No.10

noname#108554 · ベストアンサー

まず、以下の論文（単なる記事？）によると、光子質量はあったとしても
10^-51g（7×10^-19eV、だいたい電子の10^24分の1）だそうなので、
実験的には0としていいのではないかと。
http://www.aip.org/pnu/2003/split/625-2.html

あとこんな観測もあります。
http://www.jaxa.jp/press/2009/10/20091029_fermi_j.html
光子に有限の質量があったとすると、
なかには遅い光子もあるはずです。
なぜ地球にほとんど同着することができたのでしょうか？

次に、質問者さんの疑問と同趣旨という次のHP：
http://www3.osk.3web.ne.jp/~redshift/index.html#top
はまさに「間違いだらけ」なので、ネタとして楽しむのは結構ですが、
鵜呑みにしてしまうと、恥ずかしいです。例えば、
http://www3.osk.3web.ne.jp/~redshift/th7.html
のページ内に限定しても、

1.光子質量が有限かつ非常に小さいとすると、
なぜそんなに小さいのか説明できない（と思う。）。
ニュートリノでさえ、数eV程度の質量は持つらしいのに、
それより、何十桁も小さいというのは不自然です。
実際、ニュートリノの質量の小ささを説明するために、
物理学者はわざわざシーソーメカニズムという
特殊なメカニズムを考案しています。

2.宇宙が「有限で閉じている」ことを仮定する理由が不明
他のページで説明している？

3.「光は光速度C未満のあらゆる速さで運動する 」と主張するなら、
先に説明した超新星からやってきたガンマ線の観測をどう説明する気なのか？
わざわざ地球めざしてゴールするようにスタートを調節したとかいう気なのか？

と、まあ、簡単につっこめるのはこんなところです。

お礼

とにかく私の知識が不足しているらしいことだけは理解できました。
どうもありがとうございました。

補足

＞光子に有限の質量があったとすると、なかには遅い光子もあるはずです。
＞なぜ地球にほとんど同着することができたのでしょうか？

光子の質量があまりに小さいので、上限速度Ｃの近似速度に達しないものは無視されているとは考えられないでしょうか？
仮に標準的な光子がＣより秒速１mm/secほど遅い速度で飛んでいると仮定しますと。我々がその差を検知できるほど遅い速度の光子のエネルギーは小さすぎて検知できない、とは考えられないでしょうか？

教えていただいた「ガンマ線バーストによる『光速度不変原理』の検証」は上記の私の疑念に対する検証と考えてよいでしょうか？

回答No.14

post_iso

現代物理の定義として
「光子の質量は０である」
という重大な定義があります。

また、特殊相対論的な粒子のエネルギーは
E=√(mc^2+c^2p^2)
と求められます。なお、このエネルギーというのは、解析力学的なエネルギーであって、系のラグランジュアンをL(q,q')としたとき
E=Σpq-L
(p：Lのq'による変微分)
で与えられるもので、数学的に時間保存されます。

したがって、光子の質量が０であろうと、エネルギー
E=cp
を持つことができ、これは量子力学での波としてのエネルギーと同じものです（光電効果の説明）

順番が逆になりますが、速度の上限としてのｃを説明します。

電磁気学の基礎方程式であるマックスウェル方程式を真空中で解くと、波動方程式になり、その波動の速さは
　ｃ＝１/√(εμ)
　ε：誘電率（物理定数）
　μ：透磁率（物理定数）
となります。
また、このｃは当時に観測されていた真空中の光の速さと一致することから、マックスウェルは
「光とは空間を伝わる電磁場である」
と仮定しました。

そして、この光速度ｃは物理定数により定義されているので物理定数であり、どの座標系で測ったとしても値は変わりません（ボルツマン係数がどこでも同じ値であるように）。
アインシュタインはこの性質を使い、特殊相対論を打ち立てます。

特殊相対論の重要な変換式であるローレンツ変換で、変換に現れる係数
√{1-(v/c)^2}
があります。
実数である座標（時間も含む）を他の座標に変換したとしても、その座標は実数であり、上の変換係数は虚数になることはありません。
したがって、物質の速度であるvは光速度cを超えることはなく、光速度ｃは速度の上限と推定されます。

考え方としては、質量をもたない光はこの世界の基礎構成を担うもので、質量をもつ物質はその世界の中にあるだけに過ぎないということです。

お礼

丁寧に説明して下さり、どうもありがとうございます。
私は電磁気学の知識が不足していますので、そちらの方をもう少し勉強してみたいと思います。

回答No.13

shiara

真空中の光の速度は、どの慣性系で測っても一定であることが、実験からかなり確実なこととして分かっています。これは、光速度不変の原理として知られているものです。ローレンツ変換式は、光速度不変の原理と相対性原理から求めることができますが、別のやり方で求めることもできます。それは、光速度不変の原理の代わりに、速度には上限があり、その値がCである、とするものです。このようにして求めたローレンツ変換式は、光速度不変の原理で光速度をCとして求めたローレンツ変換式と同じになります。このことは、光速度不変の原理が正しいならば、光速度Cが速度の上限であることを示しています。

回答No.12

雪中庵（@psytex）

光子の「質量」は、運動エネルギーそのもので、そのエネルギー量は「量子」＝エネルギーの最小単位です。
それ以下の「わずか」があり得るならば、現代物理学の基本をなす量子論が間違っており、全ての物理学が否定されます。
具体的に何らかの現象の発見もなく、そのような前提の導入を検討する余地はありません。

回答No.11

eatern27

ゲージ理論とかでは確か光子の質量は厳密にゼロでないといけなかったりしたかと思いますが、自然科学である以上現実に存在する光子の質量は実験や観測に基づいて決めるべき事柄です。

しかし、実験には必ず誤差がつきまとうので、実験によって
「光子の質量が厳密にゼロである」
事を確かめる事は原理的に不可能です。(我々にできるのは質量があったとしてもこれよりは軽いぞ、という上限を与える事だけです)
ですので、
「光子の質量がゼロではない事を示す実験が見つかっていない」
という事を以って、「光子の質量はゼロなのだ」と解釈します。

極端な話、「光子の質量がゼロではない」という事が「真理」であったとしても、それを示す証拠を見つけるまでは「光子の質量はゼロなのだ」と解釈するんです。("近似"と言った方が受け入れやすいかな？)

「光子の質量がゼロでない」事を示す証拠が見つかっていないのであれば、「光子の質量がゼロだ」と解釈しても(過去の)実験と理論に食い違いはないのですから。わざわざ光子の質量が実はゼロではないとして理論を作っても計算が煩雑になるだけで何もメリットはありません。

>光子の質量が０だとするなら、なぜ光がエネルギーをもちうるのか
光子の質量がゼロだからと言って、エネルギーを持ってはいけない理由なんてないと思いますが、あるのなら補足へ。

>仮に光子の質量がわずかでもあるなら、光速度Ｃが速度の上限値であるはずではない、という事です。
はい、仰っている事は正しいです。
しかし、現実問題として光子の質量がゼロでない事を見出せていないので、光子の質量が有限だと考える理由が何もないんです。

補足

＞「光子の質量が厳密にゼロである」事を確かめる事は原理的に不可能です。

仰る通りだと思います。しかし、ゼロであることとその近似値であることは決定的に違う事も確かです。(数学的にはゼロの近似値はありません。) 素人考えですが、光子が現在の技術では測定できないほどの質量をもつなら、現在の観測結果と特殊相対性理論に矛盾しない説明ができるのでは、と思ったのです。

＞光子の質量がゼロだからと言って、エネルギーを持ってはいけない理由なんてないと思いますが、あるのなら補足へ。

素人は出来るだけ高校程度の古典的知識で理解したがる傾向がある、という風にご理解していただけたらと存じます。光のエネルギーも(高校で習う)運動エネルギーとして解釈出来たらいいな、と考えているだけのことです。
「実はそうじゃないんだよ。」ということがあれば、説明していただけるとありがたい、というのがここへの投稿の趣旨です。

回答No.9

cnocc

質問に至った経緯、相対性理論中での光速、エネルギーなどどのように理解しているかなどを教えていただけませんか。

補足

すみません。#10,#11 の補足をご参照ください。

回答No.8

tetsumyi

何か間違って理解していませんか？
光の質量とは光がエネルギーを持つ故に測定方法（外部に及ぼす影響）によって質量として観測できると言うことです。
例えば光が重力で進路が曲がると言うことは重力場で空間が歪んでいる為に曲がっていると同等の結果となることです。
相対性理論、素粒子論は測定することが物理法則に重大な関係を持っていることを数式として取り入れた理論です。

補足

仰る通り、何か理解が足りないのだとは思います。
その「何か」を知るために、質問しております。

回答No.7

cnocc

もうひとつだけ　
超光速現象については王のグループなどですでに確認済みのものがいくつかあります。

補足

群速度というものについて理解していませんので、はっきりしたことは言えませんが、Wang氏の研究でも「超光速通信」が可能であることはまだ検証されていないと思います。

回答No.6

cnocc

一部相対性理論も越えていますし、お尋ねのこととは離れるかもしれませんがこのような考え方の方もおられるようです。
http://www3.osk.3web.ne.jp/~redshift/th7.html

補足

私の疑問は、まさにこの記事に書かれていることとほぼ同趣旨です。
ただ、素朴に考えれば受け入れにくい考え方とは思えません。なのに、物理学会の大勢がそうなっていないのはなにか理由があるはずで、それを知りたいと思っているのです。

回答No.5

yokkun831

大変高度な質問であると思いました。多分，満足いただける回答にはならないと思いますが，参考になればと思います。特殊相対論の重要な帰結のひとつとして，粒子のエネルギーと運動量の関係があります。

E = √(p^2c^2 + m^2c^4)　・・・ c は速度の上限

一方，光量子説の帰結として

E = hν
p = h/λ = hν/c = E/c　・・・ c は光速

これらから，m = 0 でなければならないことになります。

補足

うーん、そうですね。これだと確かにｍ＝０でないとならないですね。
しかし、これらの式もそもそも光速度＝速度の上限、を前提として組み立てられていますね。

回答No.4

kagesakura

マクスウェルの方程式と特殊相対性理論、ニュートン力学について
勉強してみてはいかがでしょうか？
おそらく　疑問が解けるかと思います。

補足

一応、特殊相対性理論までは理解しているつもりです。

念のため、私の疑問を繰り返します。
光子の質量が０だとするなら、なぜ光がエネルギーをもちうるのか？
ということと、
仮に光子の質量がわずかでもあるなら、光速度Ｃが速度の上限値であるはずではない、という事です。

分かっておられるなら、触りで結構ですので教えていただきたいと存じます。