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.7

noname#208392

光速度不変というのは、このように説明できるとおもいます。

まず、マクスウェルの電磁場の方程式から、光の速度はその場所の誘電率と透磁率（正確に言えば誘電率と透磁率の積）だけで決まることがわかります。
誘電率も透磁率もその場所の速度に依存しません。だから光の速度もその場所の速度に依存しないことになります。

もし、／に走っている光と、|に走っている光が別の速度を持っていたら、それは／の経路と|の経路で、誘電率や透磁率が違うことを意味します。交わった点の誘電率や透磁率がはどうなるかというのは置いておいても、とにかく違うのですから、その場合、／の光と|の光が交わったら光は屈折するはずです。
ですから、星空に星が点として見えるのは、まさに光速度が不変であるからだ、という話をどっかのウェブサイトで読んだ覚えがあります。

この光速度不変を実験で確かめたのが、マイケルソンとモーリーです。
本当は、光を伝播するエーテルという媒質がある、ということを確かめようとしたのですが、失敗しました。エーテルがあれば、それがいわば"絶対間性系"であるかもしれませんね。
失敗した、すなわち、エーテルは存在しないということが分かったわけで、物理学史上特筆すべき実験となり、ノーベル賞も受けました。

お礼

ご回答ありがとうございます。

この理論で、どのように光速度が観測者によらず不変であるということを証明しているのか、私には理解できませんでした。（私の理解力のなさにも原因ありかとは思いますが。）

マイケルソンとモーリーの実験についても、それによって具体的にどのように光速度が不変であることが立証されたのでしょうか？

回答No.6

heboiboro

> 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。
この部分が違います。
時間の進みが観測者によって違うように、長さも観測者によって違います。
それが時間の遅れとうまく吊り合って、光速度一定と矛盾がなくなるようになっています。

> 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。
そういうことです。
全ての物理現象（もちろん人間の思考なども含むと考えられます）の進みが遅くなるという意味での「時間の遅れ」です。

> 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。
しっかりとした説明がなされていないというか、そこに関しては相対性理論は何も説明していません。
少なくとも現在の測定精度と実験技術の範囲で光の速度は一定みたいだし、実際に光の速度を一定と仮定して作った理論はかなりうまく現実の現象を記述できてるから、まあ光の速度一定ってことでいいか、という感じです（もちろん、もっとややこしい議論はいくらでもありますが）。
物理って、そういう学問です。

> 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。
その通りです、「光速度が不変なら？」という（ある意味で）突拍子もない仮定を無理やり方程式にあてはめたら、時間が遅れるだとか人によって物の長さが違うく見えるだとか、ヘンテコな結果がごろごろ出てきたんです。
でも、実際にそれらの現象が観測されるんです。だったら、本当に光速度不変なのかもなあ、と思うのも自然なことでしょう。
あと、一つの考え方ですが、私は「人間が便宜上定めた物差し」だからこそ「ころころ変わる」とも言えるのではないか、とも思います。

お礼

ご回答ありがとうございます。

＞少なくとも現在の測定精度と実験技術の範囲で光の速度は一定みたいだし、実際に光の速度を一定と仮定して作った理論はかなりうまく現実の現象を記述できてるから、まあ光の速度一定ってことでいいか、という感じです。

＞でも、実際にそれらの現象が観測されるんです。

具体的にはどのような現象でそれが分かるのでしょうか？

------------------------------------------------

＞この部分が違います。時間の進みが観測者によって違うように、長さも観測者によって違います。

うーん、これは理解し難い部分です。例に挙げた地点Ａと地点Ｂは固定されていますし、そのＡＢ間に目盛りを打っておいてもいいと思います。

確かに、速度が出れば、見え方も変わると思います。さらに言えば、遠くから見た時と近くから見た時は同じ距離でも違って見えます。しかし、それは見かけ上の問題で、例えば、遠くの銀河を眺める時、目測ではわずか数ミリにしか見えなくとも、現実には数光年の大きさであると言われるでしょう？

それと同じように、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？　それともＡＢ間の距離そのものさえも変わり得るのでしょうか？

回答No.5

中村 拓男（@tknakamuri）

まず「時空」というものを理解することから始めましょう。
対象を理解できなければ批判もできません。

個人的にはホイーラーの「時空の物理学」が
お薦めですが、売ってないので図書館で探さないと
読めないかも。

それから、気になったのですが、光速度不変の法則は観測事実に基づく「原理」で
光速度不変を「説明」する理論はありません。

物理を知らない方は物理は「説明」とか「証明」とかするものと勘違いされている方が
多いのですが、物理学者は法則を「発見」しますが、「何故」を説明しません。
事実と法則が「合う」かを確認するだけです。

お礼

ご回答ありがとうございます。

「説明」とか「証明」などがないとすれば、どのようにその理論が正しいと言えるのでしょうか。「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？

しかし、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？

回答No.4

Tann3

相対性理論、難しいですよね。私もいまだに理解できません。

　ただ、質問者さんがおっしゃる「光速度不変の法則は間違いではないか 」というのは、残念ながら的外れです。何故なら、相対性理論そのものが、「光速度不変の原理」を前提に作られた理論だからです。

　この「相対性理論はどのようにして作られたか」というあたりは、相対性理論そのものが理解できなくとも、一通り読み物で楽しく学ぶことができます。そこから先の、その理論から何が言えるか、そして数学的な手段を使って理解できるか、というのは次の段階で、そこからがなかなか難物です。

　とりあえずのとっかかりとしての「読み物」は、次のような入門サイトで見ていただいて、もう少し詳しくはブルーバックスや一般向けの「新書」あたりで読んでみてください。

http://www.interq.or.jp/www-user/nozato/pseudo/noteof/note2.html

　もしあなたが理科系人間で、ある程度の数学的基礎があるのなら、次に「教科書」的な入門書に進むとよいでしょう。このあたりの本は、文系・高校生レベルから大学レベルまで、選択に迷うほどたくさん出ています。
　ご自分で調べながら、楽しみつつ気長に学んで行かれるとよいのではないでしょうか。

お礼

ご回答ありがとうございます。

＞ただ、質問者さんがおっしゃる「光速度不変の法則は間違いではないか 」というのは、残念ながら的外れです。何故なら、相対性理論そのものが、「光速度不変の原理」を前提に作られた理論だからです。

「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」と一応、質問欄に書いたのですが・・・。

参照されているサイトは一通り読んでみました。

「それに気づいたアインシュタインは、相対性原理を物理の大前提とし、マックスウェルの方程式から導かれる一つの結果光速度不変の法則を、相対性原理と組み合わせる物理法則として、採用することにしたのである。」とありました。

しかし、どのようにマクスウェルの方程式から光速度不変の法則が導き出されたのでしょうか？

回答No.3

bgm38489

時間が伸びるとは、光速に近い運動をしている物体、まあ、そういうロケットがあるとしたら、そのなかの時間は遅く進む、ということですね。時計だけが遅れるわけではありません。
ウラシマ効果、というのは、光速ロケットで旅をして、地球に帰ってきたら、地球ははるか未来の世界だった、ということです。浦島太郎が助けたのは実は宇宙人で、カメ型の光速ロケットで宇宙旅行していた？

以下のWikiのサイトは、かなり専門的な内容ですが、３.2のローレンツ変換の、速度の合成のあたりを見れば、なんとなくわかるような。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%89%B9%E6%AE%8A%E7%9B%B8%E5%AF%BE%E6%80%A7%E7%90%86%E8%AB%96

入門書のみならず、専門書（？）、700円前後の新書のの読破もおすすめします。お勧めは、ブルーバックスの「時間の不思議」。

お礼

ご回答ありがとうございます。

数式などが出てくると理解が難しいですね。光速度が不変であるという「理屈」をもっと分かり易く説明することはできないのでしょうかね？

本当に理解度が高い人ならそのような説明は可能だと思うのですが。

回答No.2

mpascal

特殊相対性理論でしたっけ。

これは、自分で本を読んで勉強するしか無いと思います。

ここで質問して理解できる内容ではないと思います。

私も何度か本を読みましたが、未だに理解できていません。

お礼

ご回答ありがとうございます。

本当にそうですね。私も引き続き勉強してみたい思っています。

しかし、抱いている疑問を一つ一つ解決していくことは、少なからず理解のための前進に役立つのではないでしょうか。

回答No.1

noname#215107

秒速30万kmのロケットはありえないので、２９万km/sのロケットとします。
ロケットには前方に光を発するヘッドライトがついていて、その光の速度は、止まっているC点から見ると30万km/sで、29万km/sで飛ぶロケットから見ても30万ｋｍ/sです。決して２９万＋３０万ｋｍ/sではありません。
この一見矛盾に思えることは、光の速度を計るためのロケット内の時計がC点の時計に対して遅れているためです。

もちろんロケット内の時計だけが遅れるわけではなくロケットを構成するすべての原子にとっての時間に影響があります。

私もカーナビを愛用していますが、もしこの効果がなければ、カーナビは使い物になりません。

お礼

ご回答ありがとうございます。

もしも、光速ロケットの側面にフラッシュが付いていたとして、そのフラッシュが前方と後方に同時に光を発する場合、ロケットから見ると前方へ発した光と後方に発した光とでは相対速度が違うのではないでしょうか？　それとも、その場合でも同じなのでしょうか？？

それから、「カーナビに用いられている効果」には関心があります。自分でも調べたのですが、それにもいろいろ異論があるようですね。よければ、それが正しいと言える根拠をできるだけ分かり易く説明いただけると助かるのですが。