光速度と運動速度について

質問

光速度と運動速度について

　　　　よく誤解されることがあるので予め．．．
　　　　私は反相対論者などではありません。　何とか理解しようと努力しているのですが
　　　　考えれば考えるほど疑問が出てきてしまいます。　それを質問させていただきたいの
　　　　です。

　　(1)アインシュタインの特殊相対性理論では、いかなる観測者からも光速は不変という
　　　ことのようですが、「ＭＭ実験の結果を受け入れれば」という仮定であって、なぜそうな
　　　るのか？については言及していないそうです。

　　　考えては見ましたが、全く不可解で、波の伝播のようでもあるし、動いている系では
　　　ベクトル合成しているようにも見える。　しかしどの系からも光速Ｃで観測される。

　　　この理由（なぜそうなるのか）？について、研究又は言及されている方はいらっしゃい
　　　ますか？

　　(2) 光は電磁波と同じもので波長が異なるだけだと言います。
　　　　従って真空の場合はその誘電率と透磁率から計算すると光速Ｃの値がポンと出て
　　　　きてしまいます。（私も計算してみました）　
　　　　（ただ何故そのような値をとるのか？は全く理解できませんでした。）　　　

　　　　誘電率は電場になりやすさ、透磁率は磁場になりやすさですから真空にはこれらの
　　　　逆数に相当する抵抗があって、それが光速を固定してしまうことは理解できます。

　　　　しかしこれは光を波とした場合の「伝播速度」で隣接への影響が１秒間でどこまで
　　　　伝わるか？　ということだと思います。

　　　　一方「運動速度」というのは、単位時間内にどれくらいの距離を移動したか？です。

　　　　この二つの速度を直接比べるというのは変ではないか？と疑問を抱いたのですがい
　　　　かがなものでしょうか？

　　　　確かに単位は同じですが、事象の本質が全く違うような気がするのですが．．．

　　　　「如何なるものも光速を超えられない」というのは光に質量が無く他のものに質量が
　　　　あれば最も動かしやすいのは光しか無いので頷けます。

　　　　ただこれは光を粒として見て、質量のあるものと競争させることが出来た場合で、波
　　　　の伝播速度と運動速度を直接比較するというのは違和感があります。

回答No.5

cocacola2010 · ベストアンサー

No3です。

＜ではアインシュタイン博士は何によって光速ｃはどのよ
うな系の観測者からも一定と判断したのですか？

もし「どのような系においても光速度一定という確証の元に理論が組み立てられた」
という認識があるならゴミ箱に捨ててください。

基礎理論の研究者はどんな根本原理があるのか分からない、そんな状態で研究をしているのが普通です。
何かしらの仮定を設定して、整合性が合わなければ廃棄する、実験によって否定されれば廃棄する、それを繰り返すものです。
「肯定のための否定の連続」と益川さんが言いましたが。
その中で生き残ったものが認められる、そういうプロセスなのです。
（当初は）光速度一定はあくまで仮定です、確証がないから仮定なのです。
（現在では、様々な方法で確認できるようになり、仮定ではなくなっています）

上記の質問に答えるなら、様々な仮定を想定した試行錯誤の結果それが一番整合性がとれていたから、というのが正しいと思います。
ＭＭ実験から着想を得たという可能性は十二分にありますが、
本人に聞かないと分かりません。

ＭＭ実験から相対理論が導かれたといった勘違いをしている人もいますが、
この実験は、当時において他説を挫き相対性理論を生き残らせた実験の代表例だと認識してください。

何故光速度が一定なのか説明する更なる基礎理論を私は知りません。
超ひも理論では説明されているのかも知れませんが、詳しくないので何とも言えません。

あと前回述べたニュートンに関して何が誤解が言っておきます。
（既にお調べになっていて蛇足かも知れませんが）
万有引力の法則＝重力の発見と誤解する人がいますが、（リンゴの逸話も後の創作といわれています）
重力の概念はニュートンの時代では既に周知のことで、
ニュートンが発見したのは、天体の運動の起源と物体の落下の起源が同じ力によるものであるということです。
（当時は、天体＝神の領域＝地上とは別法則、みたいな考え方が強かったので「万有（universal）」という言葉をわざわざ付けたんだろう、と私は思っています）
そしてニュートンは自ら発明した微分積分で（ニュートンの最大の功績はこれです）それを数学的に表しました。（ケプラーの法則から引力が距離の2乗に反比例することを示しました）
それら諸々含め「万有引力の法則」です。

お礼

ありがとうございました

どのような系においても光速度一定という「確証の元に」
ではなく「仮定の元に」他の理論よりも最も上手く説明が
ついた。　ということなんですね。

なるほど、そういうものなんですね～感慨深いです。

確かに「確証がないから世に出せない」では発展を遅ら
せることにもなりますよね。

また現在においても基礎理論的確証（「なぜ」？に答える
こと）は困難なのですね。

ただ最先端の精巧な実験結果としても疑いの余地が無い
と．．．

それにしても、事実を歪曲させて語られては誤解も起きま
しょう。　報道者にはそれによる利があるとか単なる勘違い
からとは思いますが後生にまで誤解を残すような語られ方
は残念なことです。　現代のマスコミには真似てほしくありま
せんね。

せっかく全ての統一まであと一歩というところまで来ている
と聞きますから、事実を事実のまま伝えて欲しいものです。

ニュートンの微積発明は私も正に非凡の証と思います。
稀代の天才たちの着想には感嘆するばかりです。

ありがとうございました。

回答No.4

masudaya

追加の質問と思いますので，知っている範囲でお答えします.

>ただマクスウェル博士は光源（電波なので発信源）が
>相対運動している場合については考慮していないようです。
Maxwellが考慮したかどうかは知りませんが，少なくともLorentzなどは考慮していたと思います.
>光が波ならばエーテル（媒体）があるはずということになり、
>この確認のためにマイケルソンとモーレーが実験を
>行ったところ、どのように計っても光速は一定に観測
>されたということだったと思います。
彼らはこの観測結果をMaxwell方程式をもちいて電磁気学的に説明しようとしたのですから.これから
>>伝搬の方程式は，観測者の情報(相対速度)が
>>無くても良かったと思います.
>>つまり電磁波の伝搬は観測車の速度によらない
>>と言うことになる.
と言う話に繋がっていきます.

>さらにエネルギーという単一の視点で見るとどこもかしこも
>全く区別がつかないのではないか？
ここの素粒子の持つエネルギーや電荷，磁気モーメントなどの量子数が異なっていますので
区別が出来ているのだと思います.現実にも区別できていますしね.

お礼

重ね重ねご回答ありがとうございます。
心より感謝いたします。

何分、特殊相対性理論の中で「どのように計
っても光速は一定」が今最も理解し難い（腑
に落ちない）問題でもう少し手がかりを探し
Lorentzなどを勉強してからまた質問させてい
ただきたいと思います。

よろしくお願い致します。

回答No.3

cocacola2010

(1)
「相対性理論はＭＭ実験を根拠にしている。」
というのは、まことしやかに語られる誤解のひとつです。
アインシュタインの論文にＭＭ実験についての記述はないんです。
ＭＭ実験がセンセーショナルな実験なので合わせて説明されることが多いからでしょう。
有名な誤解のひとつに「ニュートンが重力を発見した」というのがありますね。
何が誤解なのかは興味があれば調べてください。
すぐ見つかると思いますよ。

(2)
相対性理論の出発点は、「どんな系でも一定な速度C」の存在の仮定下で
（質点・波とか関係なく）時間と位置の関係式を導いたものなので
「情報の伝達速度」などと広義に捉えるのが妥当で、
それを満たす限り事象の違いに関わらず適用できます。
これでは納得できないかもしれませんが・・・

相対性理論に関わらず、波と質点の速度を比べるのは普通のことです。
気持ちはなんとなく分かりますが。

お礼

ご回答ありがとうざいます。

>まことしやかに語られる誤解．．．

そうだったんですか？　それは知りませんでした。

ではアインシュタイン博士は何によって光速ｃはどのよ
うな系の観測者からも一定と判断したのですか？

マックスウェル方程式からは光速ｃが固定されることは
解りますが、「どのような系の観測者からも一定」は出て
こなかったと記憶していたのですが．．．
（私の認識不足かもしれませんが）

　ニュートンについては重力ではなく「万有引力」と言った
のではなかったですか？　もう一度調べてみます。

＞波と質点の速度を比べるのは普通のことです。

たしかに質問した後、私も考え直して見ました。
「ドミノ倒し」の先端と私は競争が可能だということを．．．

「ドミノ倒し」も伝播条件を均一に保てば伝播速度は
固定されますよね？

ありがとうございました。

回答No.2

masudaya

私のそんなに詳しくないのですが...

1)については，真空中のマクスウェル方程式(電磁場を規定している基本方程式)から波動方程式を導くと
電磁波(光も含んでいます)の伝搬に関する方程式が得られます.
この伝搬の方程式は，観測者の情報(相対速度)が無くても良かったと思います.
つまり電磁波の伝搬は観測車の速度によらないと言うことになる.
こんな話だったと思います.

2)は量子論の話になります.
光(に限らず電子や陽子などの素粒子も)は波動という側面と粒子という側面があり,これを総称して量子という.
光電効果や電子線の回折などについて調べて頂けるとわかってくると思います.
つまり光も粒子として扱えるので速度という物を比較することが出来ルと思います.

お礼

ご回答ありがとうございます。

ひとつ解決すると又一つ疑問が浮かぶ。　そんな日々が
続いて少し疲れてきました。

マクスウェル方程式から光速ｃが定数となる。これは動か
しがたい事実ですよね。　ただマクスウェル博士は光源
（電波なので発信源）が相対運動している場合について
は考慮していないようです。

というより最初から速度など考慮するつもりがなかったよ
うです。
出てきた数値を見てこれは「光速ｃに合致するな」と思った
と複数のドキュメントに書いてありました。

その後彼が相対運動している場合の光速を調べたという
話も無いようです。　だだ「光は波だ」と結論したと．．．

その後、光が波ならばエーテル（媒体）があるはずということ
になり、この確認のためにマイケルソンとモーレーが実験を
行ったところ、どのように計っても光速は一定に観測された
ということだったと思います。

光電効果や電子線の回折などについても調べて見ました。
電子や陽子さえ波と見なせると．．．　

こんなことを考えてしまいました。　宇宙は量子レベルで見ると
エネルギーが違うだけで全て同じもの（陽子と電子と中性子）
に見える。　さらにエネルギーという単一の視点で見るとどこも
かしこも全く区別がつかないのではないか？と．．．

回答No.1

noname#160321

(1)MMってマイケルソン・モーレーの事でしょうが、実際には「もう関係無い」です。
そんな古くさい実験のことは忘れて結構です。それにMM実験は間違っているし。
(2)この場合は定義なので、別に光速を使う必然性はないです。
それから、一番重要なことで誤解されているようなので指摘しておきますが、光は「光速」でしか存在できないので、他の速度と比較してはいけません。
なお、媒体の屈折率(ないし誘電率)が真空と異なると「光速」は変化しますが、これもその状態の光はその速度でしか存在できないので、他の速度と比較しないで下さい。

お礼

ご回答ありがとうございます。

マイケルソン・モーレーの実験の間違いとはどのような
間違いなのですか？　　私には間違いがあるとは思え
ませんでした。　

＞光は「光速」でしか存在できないので．．．

これについてはそのように認識しています。
光に限らず影響伝播の速度は伝播路の物性が均一な
らその伝播特性（誘電率など）に依存して一定になると
思います。

ありがとうございました。