光速度不変の法則に間違いはないか

質問

相対性理論について教えてください。

相対性理論によると、光速で動いた場合、時間が伸びるとのことです。有名な「ウラシマ効果」というのですが。

科学は全くの素人なので、全くの愚問かもしれませんが、こういう疑問を抱きました。

光速ロケットが仮にあるとして、その発射地点をＡ、30万Km先の到着地点をＢ、そのＡＢ間を遠くから眺める地点Ｃに観察者がいるとします。

その場合、ＡＢ間の距離は30万Kmで、これは光速ロケットに乗っている人にとっても、Ｃ地点の観察者からも同じ30万Kmです。そして、光の速さが秒速30万Kmとした場合、光速ロケットの速さについても（距離の場合と同じく）両者から見ても一定のはずなのでは？

それで、本当に単純な話ですが、秒速30万Kmで30万Km進むわけですので、かかる時間は1秒で、それは光速ロケット内でも外部でも全く同じになるような気がします。

それに、時間が伸びるとは実際のところ何を意味しているでしょうか。例えば精密な原子時計を光速ロケットに搭載して、光速で進んだ結果、時間が伸びたというのであれば、ロケット内の原子時計はロケット外部の同じ時計よりも遅れていることになるはずです。

ということは、光速で進むと、原子の振動数や原子の周りを回る電子の速度なども遅くなるということでしょうか。さもなければ、どうして時計だけが遅れるということがあるでしょうか。

そもそも、相対性理論は光速度不変の法則を大前提に結論を導いていると思うのですが、実はそこに問題点があるのではないかと考えました。

つまり、なぜ光の速さが観測者に関係なく一定だと言えるか、それになぜ光の速さが絶対的な基準として扱われているのか、なぜ光よりも速いものがないと言い切れるのか、その辺りに関してしっかりとした説明がなされていないように感じました。

そもそも「時間」というものは人間が便宜上定めた「物差し」のはずです。その定規がころころ変わることが本当にあってよいのでしょうか。相対性理論は光速度不変の法則を無理矢理に方程式に当てはめた結果、時間でも伸びることがあり得るといった結論に達したのではないでしょうか。

私は全くの素人ですので、そんな偉大な科学者が提唱した偉大な理論を批判するとはけしからんと叱責されてもどうしようもありません。それに、私が抱いたような疑問はその理論を確立する過程で考慮されたはずであり、過去のそして現在の科学者たちがしてきたことを踏襲しているに過ぎません。

しかし、実際、相対性理論に関する入門書などには光速度不変の法則について詳しい解説がなされていませんでした。それで、その点で詳しい方がいらっしゃいましたら、上記の疑問点にご回答願います。できれば、素人でも理解できる仕方でお願いしいます。

回答No.17

lineage_of_kei

物理学というのは自然と呼ばれる事象から、因果を定義できる範囲で特定の現象だけを抽出した『自然を近似したもの』と言えます。

光速度一定の原理はそういう意味では近似である可能性は否定しません。

しかし、一般相対論が適応できる緩やかな湾曲を持つ時空では光速度一定で特別な矛盾があるという話は聞いたことがありません。

我々の住んでいる範囲では光速度は一定で差し障りないでしょう、というルールですね。

そういえば、光は電磁波ですからその振幅をあげていくと、あるところで電子と陽電子のペアを発生することがあります。
これが頻繁に起こるようになると、もとが真空でも電磁波のエネルギーが電子・陽電子に変身して空間に電荷の偏りを生みます。
これを分極と呼びますが、こういうことが起こると通常の光速の値から幾分数値が下がるということが起こりえます。

実は真空中でもこの生成消滅現象が泡のように起こっているというのも、また現代物理の一つの解釈です。
詳しく知りたければ、真空泡というワードで検索してみてください。
真空もそのために誘電率や透磁率という物質のようなパラメータを持つのだと。

そういう意味では量子電磁力学まで理論拡張すれば光速度を変動させることは理論上不可能ではないです。
ただ分極が起こると真空ではないと判定されるので、通常の相対論でいえば誘電体の中での理論と思わねばならないです。

光速度が変わるのはいいとしても、光速度が元より大きくなることはこの理論でもあり得ません。

お礼

ご回答ありがとうございます。

あれからいろいろと考えてみました。改めて、「相対性理論は間違っているのではないか？」と題して新しく質問してみようと思います。もしよければ、そちらの方でもご回答いただければうれしく思います。

回答No.16

中村 拓男（@tknakamuri）

>光速ロケットからＡＢ間の距離がどのように「見えても」、
>ＡＢ間の距離そのものは変わらないのでは？

これご自分で何を話しているかご自分で判ります？
例えば「距離そのもの」って何でしょう？　「見える」って何でしょう？ 違いを説明できますか？
それぞれの具体的な測定方法を示せますか？

やっぱり初等的な概念や定義から説明してくれるホイーラーの本あたりから、
入るのがよいのではないでしょうか？　このあたりがとても明瞭になりますよ。
で、時空図くらいは読めるようにならないと議論にならないと思います。

評価が高いせいか古本がとんでもなく高いけど、

http://www.amazon.co.jp/%E6%99%82%E7%A9%BA%E3%81%AE%E7%89%A9%E7%90%86%E5%AD%A6%E2%80%95%E7%9B%B8%E5%AF%BE%E6%80%A7%E7%90%86%E8%AB%96%E3%81%B8%E3%81%AE%E6%8B%9B%E5%BE%85-E-%E3%83%86%E3%82%A4%E3%83%A9%E3%83%BC/dp/4768702511

は相対性理論が想定している時空の考え方を豊富な図を使って詳細に説明しています。

アインシュタインの論文も前半はかなり初等的で厳密な定義から入るので結構よいかも。
解説付きの日本語訳は文庫で売ってます。
http://www.amazon.co.jp/exec/obidos/ASIN/4003393414/250-9881035-9845050

相手を知らずして批判しても空回りするだけです。

お礼

ご回答ありがとうございます。

あれからいろいろと考えてみました。改めて、「相対性理論は間違っているのではないか？」と題して新しく質問してみようと思います。もしよければ、そちらの方でもご回答いただければうれしく思います。

回答No.15

cocacola2010

■光速度不変の原理がどのように導かれたか

アインシュタインの論文は誰でも見れます。以下英語版。
http://www.fourmilab.ch/etexts/einstein/specrel/www/
どうしても理解したければトライしましょう。

現在では「相対性理論」と呼ばれてるこの論文のタイトルは「動いている物体の電気力学」です。

理系でしっかりと物理を勉強してきた人ならわかると思いますが
力学の問題は、「電車の中の人」を基準にしても「外の人」を基準にしても
習ったことを手順通りに遂行すれば同じ答えが出ます。
では、電磁気学で同じことをするとどうなるのか。
習ったことを手順通りに遂行すると異なる答えが出てきます。
ですから、上記の様な解法は教科書でも問題集でも絶対に出てきません。
答えが矛盾するからです。
少なくとも、例を示してそれが矛盾しているということがわかる程度の知識を持っていない人には
説明のしようがないのですが、下記URLの意図は理解できるでしょうか
http://okwave.jp/qa/q1056309.html

光速度不変の原理は、電磁気学の法則を誰から見ても矛盾なく成立させる為の共通項として登場します。
「導かれた」のではなく「発見され」ました。
アインシュタインの主張は、「この原理が正しいとすれば電磁気学のこれまでの矛盾を一気に解決できますよ」
という提言です。

アインシュタイン自身は「時間が縮むこと」を証明などしていません。
可能性を定量的に提示しただけです。

これを読んだ人間が
・その原理を実験で確かめる
・そこから得られる帰結を実験で確かめる
等して初めて証明になります。

■相対性理論は光速度不変の原理を大前提に結論を導いている？

これは、そもそも「基礎理論」というものが何かを理解してないですよね。
基礎理論というのは、ブラックボックスから出力される結果からそのブラックボックスのしくみを言い当てる。
そういう作業です。
「ブラックボックスのしくみ（原理）が○○だと仮定する」
「実験してみるとその法則通りに出力が出てきた」
「なるほど仮定（原理）は正しかったようだ」
と、こういう流れです。

原理そのものを探っていくのが基礎理論です。
「原理が正しいから、結果も正しい」では何の基礎も築いていません。

ただ、そもそもですがNo4さんへの返信をみる限り質問者さんは「法則」と「原理」の意味の違いを理解していないようですね。
「光速度不変の原理」と「光速度不変の法則」では全く意味が違ってきます。
「光速度不変の原理」が正解です。
基本的なことです。ちゃんと調べましょう。

お礼

ご回答ありがとうございます。

あれからいろいろと考えてみました。改めて、「相対性理論は間違っているのではないか？」と題して新しく質問してみようと思います。もしよければ、そちらの方でもご回答いただければうれしく思います。

回答No.14

noname#175120

いやいや、理論が先で実証が後なんですよ。
アインシュタインが提唱した時点では確認する術がなかったんです。
しかし今は人工衛星でもそれを裏付けする現象が起きてます。
だからこそ理論が正しいと裏付けされた訳です。

今の所、矛盾する点は見つかってないようなので、事実上正しいと言っても良いだろうと言うことです。
もちろんそれを否定する事実が見つかれば根本的に何かが違うのかあるいは特殊な例として例外があるという証拠にはなりますね。

つい先日もニュートリノが光速より速いって実験結果が出たってニュースがありましたね。
結局は計測誤差であった可能性が高いようですが、あの実験が再検証され結果が事実なれば当然見直しが図られるはずです。

理論とか定理ってのは実証があって初めて成り立つものです。
単に理論だけならそれは仮説の域を出ないです。

お礼

ご回答ありがとうございます。

あれからいろいろと考えてみました。改めて、「相対性理論は間違っているのではないか？」と題して新しく質問してみようと思います。もしよければ、そちらの方でもご回答いただければうれしく思います。

回答No.13

中村 拓男（@tknakamuri）

>これは説明すべき対象を光速度から誘電率や透磁率に移しただけですよね。
>そんな当たり前のことを、鬼の首でもとったように・・・・・・ 他にどう読むんだ？？？

いや、質問の主題は「光速度不変が説明されてないから相対論は間違っているでは？」と
読めるんですよ。違うかな？

お礼

ご回答ありがとうございます。

あれからいろいろと考えてみました。改めて、「相対性理論は間違っているのではないか？」と題して新しく質問してみようと思います。もしよければ、そちらの方でもご回答いただければうれしく思います。

回答No.12

noname#208392

#7です。

>これは説明すべき対象を光速度から誘電率や透磁率に移しただけですよね。
そんな当たり前のことを、鬼の首でもとったように・・・・・・ 他にどう読むんだ？？？
説明する、というのが気に入らないなら、言い換えることができる、でもいいですよ。
透磁率や誘電率であらわしたほうが、"空間の性質"って感じが良くでていいと思ったんですけどね。

お礼

ご回答ありがとうございます。

あれからいろいろと考えてみました。改めて、「相対性理論は間違っているのではないか？」と題して新しく質問してみようと思います。もしよければ、そちらの方でもご回答いただければうれしく思います。

回答No.11

noname#221368

＞そもそも「時間」というものは人間が便宜上定めた「物差し」のはずです。その定規がころころ変わることが本当にあってよいのでしょうか。

　結論から言うと、基準は変えていないんです。例えばＡで定義された時間基準でロケットを観測するからこそ、ロケット内の時間はＡより遅いと言えます。これは言葉の遊びではないですよ。基準決めとはそういうものです。

　同様にロケット内基準で走行時間を測れば、走行時間は1秒ですが、その間Ａ，Ｂ、Ｃの時間は、ロケット内基準より遅れます。これが「特殊相対性」で、双子のパラドックスと言われるものです。双子のパラドックスは、「一般相対性」によって解決され、Ｂ地点で、ロケットとＢ地点の時計を比較したら、ロケットの方が1秒遅いはずです。

　「特殊」と「一般」の違いは、加速運動を考慮するかどうかです。無限の彼方から飛来した光速飛行体であっても、Ｂ地点で「停止し」、時計比較を行うためには、減速（加速運動）する必要があります。この効果が、ロケットの時計「だけに」、時間の遅れを残します。Ａ地点から出発するなら、光速まで増速する必要もあるので実際には、ロケットの時計は1秒ちょっと遅れる気がします。

＞・・・原子の振動数や原子の周りを回る電子の速度なども遅くなるということでしょうか。さもなければ、どうして時計だけが遅れるということがあるでしょうか。

　という訳で、（Ａ基準で見たら、ロケットの）原子の振動数や原子の周りを回る電子の速度なども遅くなります。ロケットからＡを見たら、正確に逆です。だから相対性理論と言われます。

＞そもそも「時間」というものは人間が便宜上定めた「物差し」のはず・・・

に関連しますが、そうだと思われていたんです。その根拠は、運動物体に時計を取りつけても、光速付近の速度を持つような物体は現実には作れないので（今でもそうです）、時計比較に差がなかったからです。そこで、宇宙全体を通じて場所によらず、「人間の便宜上の物差し」が、宇宙のどこでも使えると仮定されていました。この考えを、絶対時間と言います。

　現在では原子時計などにより、時計比較の測定精度の方を上げ、原子時計を積んだジェット機に地球を何10周もさせた結果、数億分の1秒（だったかな？）の時間の遅れが測定されています。時間の遅れは、速度（と加速度）に依存します。

　よって時間は、「人間の便宜上の物差し」では「ない」事になります。時間はれっきとした物理効果です。正体は全然わかっていませんが・・・。

　従って、全宇宙を通じて、地点によらず時間は共通という考えの方が、よっぽど勝手な仮定だろうという事になります。自分が自動車で移動した時、絶対時間の考えに従えば、自分とあなたは「別の宇宙（時空間）」にいる事になります。相対速度が小さいので、ウラシマ効果もなく通信できますが。

　アインシュタインは、こういうショッキングな事を言ったので、アインシュタインのノーベル賞は相対性理論に関するものではありません。本当か嘘かわからなかったんです。しかしその後の多くの実験や、理論的予測性の高さから、相対性理論は信じられて行きます。時間の遅れは、実在する物理現象です。

＞つまり、なぜ光の速さが観測者に関係なく一定だと言えるか、それになぜ光の速さが絶対的な基準として扱われているのか、なぜ光よりも速いものがないと言い切れるのか、その辺りに関してしっかりとした説明がなされていないように感じました。

　その通りです。自分も相対性理論の専門書を読んで、光速度不変のからくりを全然説明してくれないので、がっかりしたおぼえがあります。光速度不変は光速度不変の「原理」なんですよ。「原理」には、数学的証明はもちろんなく、物理的機構解釈もやはりありません。

　光速度不変の原理は、19世紀末に集中的な行われた光速度測定実験と、アインシュタインの「物理法則の不変性」の考えから導かれたものです。というか、19世紀末の光速度測定実験の結果を、アインシュタインが「物理法則の不変性」の考えで解釈し直した、と言う方が正しい気がします。「物理法則の不変性」の考えは、その後の発展においてとりわけ生産性が高く、この面からも、相対性理論は信じられて行きます。

＞・・・なぜ光よりも速いものがないと言い切れるのか・・・

　この点に関しては、次の2つを認めれば、後は数学の問題になります。

　　1)光速度不変の原理．

　　2)例えば、Ｃ地点から見た等速直線運動は、Ａ，Ｂ，ロケットから観測しても等速直線運動．
　　　（慣性法則を認めるのと同じ。根拠は、物理法則の不変性）

　1)，2)がほぼ、特殊相対性理論の数学的核心である、ローレンツ変換の元です。

回答No.10

中村 拓男（@tknakamuri）

>「光速度不変の法則は観測事実に基づく・・・」というのであれば、
>それ自体が光速度不変の法則の正当性を「証明」していると言えるのでは？

実験には必ず付帯条件が伴いますので「蓋然性を高める」くらいですね。
アンドロメダ銀河や1万年後の速度は保障できないですし、なぜ30万ｋm/sという値に
なるかを示すこともできません。
実際光速度は時間とともに変化するだろうと唱える学者も少数ながらいます。

>どのような観測事実によって光速度不変の法則は事実であると確認されているのでしょうか？

例えば、エベンソンの 1973年のレーザによる実験では
299792.4580±0.0012km/s とすでにほとんど歩く速さくらいの誤差で
測定されてます。

この結果からは

A) 光速は地球の(光源の)宇宙に対する運動に対して不変。
B) 光速は観測者に対する光源の速度に対しても不変

と言えるでしょう。なぜB)が成り立つのか考察してみると面白いですよ(^^;

回答No.9

lineage_of_kei

粒子の速度の定義法の問題が発端の疑問かと思われます。

まず、マイケルソン＝モレーの実験というもので観測法によって光の速度はどうやら変わらないっぽいぞ、という点は認めておく必要があります。まず実験事実が存在する。

以下ごちゃごちゃっと計算すると、いろいろなことが分かったというのが標準的な相対論のテキストスタイルかと思われます。

ちょいと、相対論の思考から抜けて量子論から攻めてみましょう。

光は量子化というプロセスを経ることで、光という波動の形態からフォトン（光子）という粒子で記述されます。

このフォトンという粒子が曲者で、通常の粒子のように質量を持ちません。

それゆえ、運動量が分かったとしても重さで割り算して速度を導くという方法を取ることができないわけです。

光波動の理論では、

ω(振動数)=c(光の速さ)×k(端数)

の関係がよくつかわれます。
これは量子電磁力学という分野では光のエネルギーと運動量の関係

E=c×P　

に置きかえられて議論されます。1つ目の式にプランク定数と呼ばれるものをかければこの2つ目の式が手に入ることになっています。

理由は置いといて、実験事実として光の速さがどう図っても一定である環境で、違う観測者が同じ光を観測すると、速度の代わりに、このエネルギーと運動量の数値が変わるわけで、結果として波数と振動数が変わるわけです。

速度は変わらないのですが、光の色が観測者によって違うわけです。

また、最近はヒッグス粒子と呼ばれる特殊な粒子が発見されたのではないかと話題になっています。

これは空間にぎっしり満たされていて、粒子はこれと常に相互作用して、おそらく摩擦力のように働くのだと思われますが、たとえば光の速度で走っていたとしても見えないこの摩擦で光速度から徐々に低速になっていきます。
フォトンはヒッグスに対しても特殊な効果を示し、相互作用は一切ないそうでこの見えない摩擦に対する減速機構がないそうです。ゆえに光の速度は保たれ続けるというのが現代物理学の見解だろうと思われます。

光の速速さが粒子の速さの上限値になるのは、このように素粒子物理の結果からも今のところは破綻なく支持されてます。
(実は粒子運動にランダムなノイズを入れると、ごく一瞬だけ光速度を超える瞬間があります。これは数理モデルの差が生んだ結果のようです。本質はそんなに変わらないはず。)

マイケルソン＝モレーのエーテルに対する実験はただの光の測定実験と言うだけではなくて、くしくも現代素粒子物理のヒッグスの測定と等価ともとれますね。

ごまかしごまかしの文章ですが、何かの足しになれば。

お礼

ご回答ありがとうございます。

やはりもっと物理学を勉強しなければなりませんね。しかし、これらの観測結果というのは、人間の既知の領域であって、未だ知られていない未知の領域があるということを考慮に入れられていないのではないでしょうか？

調べてみると、暗黒物質だとか、まだまだ人間の知らない領域がある模様ですね。確かに、人間の観測可能なものの中で光が一番早いのは事実ですが、それだけでそれ以上の速さのものはないと断定するのは早計な気がします。

回答No.8

中村 拓男（@tknakamuri）

>誘電率も透磁率もその場所の速度に依存しません

これは説明すべき対象を光速度から誘電率や透磁率に移しただけですよね。

特殊相対論では「光速度不変」は電磁現象とは無関係に成り立つ根本的な「原理」
としています。真空の誘電率や透磁率の不変も原理から導き出されるもので、
真空の誘電率や透磁率の不変から「光速度不変」は導けません。

お礼

ご回答ありがとうございます。

もう少し物理学を勉強する必要を感じました。よければ、引き続き、私でも分かるような仕方でご説明いただければ助かります。