光の速度が一番速いのは真空中ですか？

質問

空中の人間が水中の物を観察するとき、光の経路が屈折しています。
これは、空中よりも、水中の方が光の速度が遅いため、水中の経路を短く、空中の経路を長くとることで、最短時間（＝最高速度）で観察物と観察者を結んでいるからだ、と教わった記憶があります。

光の速度は、媒質の何に影響されるのでしょうか？　
媒質の質量（密度）？　媒質の粘度？　媒質の硬度？　媒質の温度？　媒質の分子の分子量？

アインシュタインの方程式から求められる光の速度は、真空中の速度だそうですが、真空中の速度よりも速い速度を達成できる媒質は考えられるのでしょうか？

空中の音速よりも、水中の音速の方が速いことから、「媒質の密度が高い方が波の伝達は速い」というイメージがありますが、光の（波としての）性質は、媒質の密度とどちら向き相関があるのでしょうか？

光速と媒質の関係に関して、知っておくべき事項などご教示いただければ幸いです。

回答No.1

cdp101 · ベストアンサー

電磁波の媒質は、時空間そのもの

物質（質量を持った物体というか存在）は、時空間の歪み

真空は時空間が歪んでいない状態

波は、媒質が歪んでいると歪んでいないよりは遅く伝わるでしょう

歪んでいない状態、すなわち真空が最も速く電磁波が伝わります

とはいえ、宇宙にはダークマターとかダークエネルギーなど、つい最近存在しているっぽいという正体不明のヤツも発見されています

それらの正体も不明ですし、まだ未発見の輩もいっぱいいるかもしれません

電磁波を真空よりも速く伝えるヤツがいるかもしれませんね

お礼

回答有難うございます。

物質の存在は空間の歪だという考え方は新鮮でした。
勉強になります。

回答No.4

gamma_46

N0.3へのコメントに対して、
No.3で述べられている現象は、相対性理論とは無関係です。（と言うか、矛盾しません。群速度は、真空中の光速を越えません。）

お礼

追加の回答有難うございます。

やはり、位相速度と群速度の区別がイマイチ判っていないようです。
勉強になりました。

回答No.3

gamma_46

電磁波（光）を含む波の速度には「位相速度」と「群速度」があることはご存じですね。ご存じ無ければ勉強して下さい。
電磁波の位相速度は真空中よりも速くなる事はあります。
１．プラズマは屈折率が１より小さいので位相速度は真空中のそれよりも速くなります。電子密度が高いほど速いですが、遮断密度に達すると電磁波は透過できません。
　凸レンズ状のプラズマは凹レンズとして働きます。
２．電磁波との共鳴周波数より少し高い周波数（普通の物質ではX線領域）の狭い範囲で屈折率が１以下になる（位相速度が真空中よりも速い）場合があります。
　金属（X線の周波数によって種類は違いますが）を凹レンズ状にするとX線に対しては凸レンズとして働きます。
３．金属パイプ（導波管）を進む電磁波の位相速度も真空中より速いです。
１と２は電子が電磁波で振られて（振動）発生する電流（電子の応答）による電磁波との干渉で起こります。
３はやはり金属管の内壁に誘起される電流との相互作用です。
ご質問の冒頭にある、屈折によって見える方向が・・は、位相速度が関係しています。

但し、いずれの場合も、群速度（エネルギーが伝わる速さに関係している）は真空中での値よりも小さいです。

お礼

有難うございます。

プラズマの中では時間がゆっくり進むのでしょうか。

回答No.2

FT56F001

電磁気学の教科書によれば，
光速=1/√(εμ)
εは誘電率，μは透磁率です。

透磁率μは，常磁性体の中でわずかに真空より大きく，
反磁性体の中では，真空よりわずかに小さくなります。

誘電率εは，物質があると真空中より大きくなります。

差し引きすると，物質があるとε*μが大きくなり，
真空中の光速が最も早いことになります。

と書いてきて，回答者自身，知識不足に気づきました。
もし反磁性体で比誘電率=1の物質があったら，
真空中より早い光速があるのかしら???

お礼

有難うございます。

光速=1/√(εμ)
この式は光速がε、μの変数であるという読み方ではなく、εとμの関係を定数Cで定義していると思っていました。

Cを変数とみなすと確かにε、μの関数ですね。

勉強になりました。