相対性理論の光時計、間違ってませんか？

質問

特殊相対性理論だと思いますが、ロケットの中の光時計って間違ってませんか？

単純に亜光速のロケットの床から光が出たら、光が置き去りにならないんでしょうか？
ロケットの中から見たら、斜め後方にまっすぐに光跡が出ると思うんですが。
光は空間の中できっかり光速で光っているわけで、斜めに飛ぶこと自体が
間違っているんじゃないかと思うんです。

また、仮に斜めに飛ぶとしても、実際には強制的に斜めに飛ばさなきゃいかなくて、、
光速でしか飛ばないとなれば、ロケットの中では光が低速になって、
なかなか反射板に届かない、ということになるんじゃないでしょうか？

特に、最初の方に書いた、真上に飛ばした光は空間上でまっすぐ飛ぶはずが
ロケットの外では斜めに飛んで見える、というのがあまりにも無理のある考え方じゃないかと
思うのですが、実際はどうなんでしょうか？

もし、このあたりを分かりやすく説明している本があれば教えてください。
できることなら、キチンとした物理の本当の姿を押さえた上で、
相対性理論に反論している本があれば助かります。

ここでは、光が空間で斜めに飛ぶという、私の違和感を正していただければ助かります。

回答No.14

okitarou123

>なるほど。
>ロケットが光速で飛べば、慣性の法則に従って光は鉛直方向には飛び出せず、
>永久に光の発射点にとどまってしまうってことですね。

なるほど、は理解できたときに出る言葉ですが、
私の言っていることを全く逆に理解しています。

慣性があるから真っ直ぐ鉛直に飛んでいきますと申し上げています。
鉛直方向に飛び出さないとすると光には慣性が働かないことになります。

>そうなると、光エネルギーが発射点でエネルギーが集中してしまい…ではなく、
>時間が止まるから、発射されないということですね。
>同じ空間に存在するのに、動くことで時間がずれるという仮説の可能性についても
>ちょっと納得できました。

時間が止まる話はローレンツやアインシュタインの光のエーテル説から
出てきた言葉です。
今私が語っていることは、その前段の話です。
エーテル説が間違いであることの根拠を示した話です。

>とはいえ、地球自体が空間で動いていないとなる絶対軸に対して
>どれくらいの速度で移動しているのかが気になります。

絶対軸？言っている意味がさっぱり分かりません。
絶対静止が存在すると言う意味の話ですか？
だとしたらそんなものは存在しません。
従って、意味の無い質問となります。

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corianderさんへ
＞光時計の説明はNo.5の回答が正解です。

正解かどうかを貴方が判断できるのですか？
普通この場合、「私はこの回答に賛成です。」では
ありませんか？

＞ No.12の回答は相対性理論に反する

その通りです。
相対性理論は、トンデモ科学であることが証明されつつあります。
その理由は、

＞「リッツの放射理論」（光速度には光源の速度が単純加算される、
＞つまり光速度はcを超えることが可能であるという学説）
＞http://en.wikipedia.org/wiki/Emission_theory
＞にもとづく回答であるため、相対性理論の解説書にある光時計の説明にはなり得ません。

それは妙ですね。
言っていることが逆さまではないですか？
光時計の話は光に慣性があるかのように論理展開されたものです。
ですが、慣性があれば光速不変とはなりえません。
ガリレイ変換になるだけです。

＞（なお、リッツの放射理論は1913年のド・ジッターの連星系の観測結果により
＞否定された学説です。）

その詳細を説明できますか？
貴方は連星の動きをそばまで行って観測したのですか？
何光年もある星の動きを、推測無しに言えるのですか？

もし言えるのであれば、どうぞこちらに書き込みしてください。↓
http://detail.chiebukuro.yahoo.co.jp/qa/question_detail/q10110703200

もし、これが嘘だったら、単なるド・ジッタで済みませんよ。

（なお、このサイトは時代錯誤もはなはだしく、管理者による検閲で
何の断りも無く、削除されることがあるため、私的に保存しています。）

回答No.13

coriander

No.12の回答は相対性理論に反する
「リッツの放射理論」（光速度には光源の速度が単純加算される、つまり光速度はcを超えることが可能であるという学説）
http://en.wikipedia.org/wiki/Emission_theory
にもとづく回答であるため、相対性理論の解説書にある光時計の説明にはなり得ません。
（なお、リッツの放射理論は1913年のド・ジッターの連星系の観測結果により否定された学説です。）

光時計の説明はNo.5の回答が正解です。

回答No.12

okitarou123

＞光が空間で斜めに飛ぶという、私の違和感を正していただければ助かります。

分かりました。
できるだけがんばって見ましょう。

まず、私たちの身の回りで起こる光の動きを確認して見ましょう。
水平に保たれた台の上に垂直にセットされた光源から発射
された光は真上に飛んでいきます。
これは間違いのない話ですね。

では、私たちの地球は止まっているのでしょうか？
それとも動いているのでしょうか？
公転と自転という二つの回転をしているのですから、
動いていると考えても問題はないですね。
では、太陽は止まっているのでしょうか？

止まっていると断言できる根拠は何もありません。

ひょっとして相当な速度で、他の恒星からは離れているかもしれません。

でも私たちの地球はいたって穏やかです。
他の恒星に対し超光速で動いていたとしても、穏やかです。
電車の中でジャンプしても同じ位置に戻ります。
りんごを上に放り投げれば戻ってきます。

そうです、一番肝心なことはすべてのものに慣性が働くと言うことです。
それが、物理の大法則です。
この世の大、大、大原則です。

真上に放り投げたりんごは引力で手元に戻ってきます。
それを電車の中で行なっても同じです。
ですが、そのことをホームで見た人からは、りんごは放物線を
描いて、またその人の元に戻っていく様子が観測されます。

それと同じことが光にも起こります。
ただ光はその速度がめちゃくちゃ速いと言うだけです。
りんごの動きと全く同じです。

光も落下します。
文字通り「万有」引力ですから。

悩む必要など全くありません。

時空が歪む話にのめりこむと、頭の中が混乱します。
混乱するように理屈立てされたのが、アインシュタインの
「相対性理論」なのですから。

お礼

なるほど。
ロケットが光速で飛べば、慣性の法則に従って光は鉛直方向には飛び出せず、永久に光の発射点にとどまってしまうってことですね。
そうなると、光エネルギーが発射点でエネルギーが集中してしまい…ではなく、時間が止まるから、発射されないということですね。

同じ空間に存在するのに、動くことで時間がずれるという仮説の可能性についてもちょっと納得できました。

とはいえ、地球自体が空間で動いていないとなる絶対軸に対してどれくらいの速度で移動しているのかが気になります。

とはいえとはいえ、地球自体を基準にすることになるから、結局は普通には観測できないと言うことになるんでしょうか。

可能性としては、スイングバイをがんがんかまして超加速させるくらいでしょうか…。

回答No.11

noname_deadbeef

No.7です。

No.7 a、b、No.8のように、光源の構成によっては、「真上に向けたライトから（地上から見て）斜めに光が出る」こともある、ことはご理解頂けますか？
「光は物じゃない」とはいっても、光を出すものは物ですから…粒子じゃなくて波だ、というわけでも無いのですね。
光がどの方向に出て行くかをマクスウェル、というかホイヘンスの原理に基づかずに考えるのは無理がある気がします。一番純粋な、励起した原子からの自然放出だと出てくる光は全方向に広がり指向性がありません（光子ならどの方向に出てくるかわかりません）。黒体放射やシンクロトロン放射はいずれも原子の速度が絡んできますので、上に向けた光源の運動状態にかかわらず真上に光が出るという主張は不自然です。
あ、内部で十分に拡散して面発光しているものは真上から見るのが一番大きく見えますね。これなら確かに真上に一番強く出そうな気になってしまいます。いやこれは反射が絡んだ時点でNo.8と…

＞となれば、ロケットで飛んでる中で光が飛び出ても、空間上で光速なだけで、
＞ロケット内では光速では飛ばないですよね？

その通りです。でもなぜかロケット（地球）の中の人はその光速を測ろうとすると「いつもの光速」になってしまう。なんでだろう？自分の使っている時計が光時計だったりするのか？いや明らかに原理が違うよな…

＞光時計を、行きで進行方向に飛ばせば違和感が発生しませんか？
＞
＞光速の99％で飛ぶロケットの中で光時計が進行方向に1％の速度で飛んでますよね。
＞これで仮に時間が遅れるとしてもいいのですが、光時計の帰りでは、
＞光速の199%で飛ぶことになりませんか？そうすれば、時計が遅れるどころか、
＞通常の2倍の速さになりませんか？

「同時性の破れにも納得しています。」とのことですのでちょっと振り返ってみていただきたく。光時計のケツをA、頭をBと呼ぶことにして、AからBまで行くのに1%の速度なので100秒かかった、から時間が100倍に遅れる？、のでは絶対時間におけるBゴールの瞬間をAは簡単に指し示すことができることになります（ロケットがどんな速度だろうと自分（A）にとっての1秒後）。こういうのは同時性の破れとは言いません。
光時計は光の往復を時間の単位にします。ロケットが静止していれば往復2秒のところを、99％で飛んでいるなら行きに100秒、帰りに0.5秒で計100.5秒かかるので、時間が50.25倍に遅くなった、と計算します。帰りに0.5秒（Aから見たら0.01秒？？）しかかからなかったという根拠はどこにあります？行きも帰りもロケットの中に漂っているホコリの数は同じですよ？

（ただ立てた光時計と寝かせた光時計が同じように動く、という実験結果もあるので、寝かせた光時計は縮んでいるんだ、ということにせざるを得なくなったりもする、が正直そこまで考えるのは後で良い）

回答No.10

noname#195146

>単純に亜光速のロケットの床から光が出たら、光が置き去りにならないんでしょうか？
>ロケットの中から見たら、斜め後方にまっすぐに光跡が出ると思うんですが。

　そうならないです。これは「どうして？」といったこは分かっていません。どう実験・観測してもそうならないので、そうならないものとして理論が構築されています。

回答No.9

chiha2525

ロケットの中というのが今あなたがいる場所として、その中で上下に光が往復するのを観測するのは簡単でしょう。

ところで亜光速で飛び去るＢ、これは地上に残っている人、からみたら、あたなが測定した上下に往復する光は、斜めに飛ぶような軌跡に観測されます。なぜなら光はロケットに対してちょうど上下になるように往復し、そのロケットはＢから見て一定速度で移動しているからです。

どうしてあなたは、このような単純な話が分からないのでしょうか？

回答No.8

veryyoung

床から天井への光のビームを点光源と反射鏡で作るとしましょう（添付図f)。反射鏡が右方向に移動していれば、静止観測者にとって、点光源Pからの球状波面は、反射鏡右端より左端に早く到達する様子がイメージできると思います。反射後、上方に放たれる波面の左端が前進している事になり、光は右上方に伝搬します。相対論的表現では、静止観測者にとって右端より左端の方が時刻が進んで見える事で説明されます。No.5さんの回答と同じです。

http://okwave.jp/qa/q6830534.html
の No.8、No.9　にもう少し詳細を書いてあります（そこでは賛同が得られなかったようですが）。

回答No.7

noname_deadbeef

結論がNo.5様に書かれてしまったけれど、途中の考え方を補足します。

a. レーザー光源の中では、向かい合った鏡の間で光が行ったり来たりしながら増幅されています。つまりレーザー光の発射の前の段階でレーザー光源の中の光は「地上から見たら斜めに走っている」ことになります。…結果論ですね。
b. レーザー光源でなくて「点光源とピンホールからなるライト」（非効率的ですね）を考えると、点光源からピンホールの方向に向かう、つまり「地上から見たら斜めに走っている」光子だけが出てきます。…やっぱり結果論ですね。
c. 何が不満かって、「光って波面から垂直方向に進むんじゃないの？ホイヘンスの原理は間違っているの？」ということだと思います。a.でロケットの中のレーザー光源はいつもどおりに動いているんだから止まっているレーザー光源と同じように進行方向と平行な波面ができているはずで、だったら…レーザー光源は本当にきちんと動いているの？？…みたいな。
d. で、ここは一度我慢して「光「子」時計は正しい」という事にして先に進んで欲しいのです。同時性の破れまで理解すると「ロケットの中のレーザー光源と斜めに走る光」がなんの矛盾もなく説明できるようになります。

特殊相対論は「絶対空間と絶対時間は存在しない！まずこれを受け入れろ！」なんて宗教みたいなことを言っているわけではないです。とりあえず絶対空間と絶対時間があってもいいけど、その中にいる我々はどうやって時間を知るのだろうか？から始まって、「どの慣性系が本当の絶対空間と絶対時間なのかが分からない、そういう実験結果たち」を説明することに成功してしまった。それだけなのです。で、それはあくまで特殊相対論の適用可能範囲（重力のない空間の中の、慣性系）の話です。宇宙論的とか量子重力理論的には「特別な慣性系」があったりするのかもしれません。

補足

ホイヘンスの原理を間違っていると思っていません。
光時計も、無理をして帳尻を合わせているものの、それはそれで
格好は付いていると思っています。

しかし、無理をしている点が無理な話で元に戻されているため、
非常に疑問に思っています。

私は、空間＝絶対的な座標で光が光速で飛んでいると理解しています。
なので、同時性の破れにも納得しています。
ただ、ロケットの中では後ろ側の人が光速以上で光が飛んでくるとしか
考えられないのです。

絶対的な座標上で光が光速で飛んでいる、という認識が間違いなのでしょうか？
光が空間上で光速でしか飛ばない、光速で飛ぶ、というのが間違っているのでしょうか？

回答No.6

hg3

理論的な説明は、前出の回答にありますので省略して、
ちょっと考え方の視点を変えてみましょう。

質問者さんは、光が空間で”斜め”に飛ぶ事に違和感があるとのことですが、
もし光が空間で”斜め”に飛ばないなら、地球上で光を発射するとどう見えることになるでしょうか。
地球は自転や公転をしているわけですから、地球上にいる人からは、自転、公転で進む方向とは反対に置き去りにされ、光は真っ直ぐに進まないという事になりますね。

しかし、実際、光は地球上にいる人が見てまっすぐ進みますよね。

しかも、その光の速度は、どの方向でも常に一定の速度になっているのです。
これを実験的に確認したのが、有名なマイケルソン・モーリーの実験です。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%9E%E3%82%A4%E3%82%B1%E3%83%AB%E3%82%BD%E3%83%B3%E3%83%BB%E3%83%A2%E3%83%BC%E3%83%AA%E3%83%BC%E3%81%AE%E5%AE%9F%E9%A8%93

この当時は実験の精度が低く、若干の差（＝誤差）があったのですが、その後、実験の精度を高めるほど、速度の差が小さくなっているのです。

補足

地球上にいる人から見てまっすぐなのは、光が速すぎるだけではないでしょうか？

光は空間上で常に光速ですよね？
となれば、ロケットで飛んでる中で光が飛び出ても、空間上で光速なだけで、
ロケット内では光速では飛ばないですよね？

光時計をロケットの進行方向と垂直方向に飛ばすから成り立っている気がしますけど、
光時計を、行きで進行方向に飛ばせば違和感が発生しませんか？

光速の99％で飛ぶロケットの中で光時計が進行方向に1％の速度で飛んでますよね。
これで仮に時間が遅れるとしてもいいのですが、光時計の帰りでは、
光速の199%で飛ぶことになりませんか？そうすれば、時計が遅れるどころか、
通常の2倍の速さになりませんか？

どうも不思議に感じるんですが、ロケットの外から見ても、ロケットの中の光は光速で飛ぶんですよね？

回答No.5

boson

真横に等速運動するロケットの中で、上下に運動する光子を
ロケットの外からロケットを透かして観察すると
光子が斜めに飛ぶ理由ですが、
http://detail.chiebukuro.yahoo.co.jp/qa/question_detail/q13101597153
の
pistis_sophia_00さん
の回答を参考にして下さい。
以下、pistis_sophia_00さんの回答から引用します。

これは同時性の破れとホイヘンスの原理で説明が付きます。

ロケットの内部では、光の発射口で同時に波が発生するため、波面が水平（進行方向は真上）を向きますが、同じ現象は、ロケットの外部では。まず光の発射口の後方側（図では左側）で波が発生して、少し遅れて前方側（図では右側）で波が発生していきます。
その結果、波面が斜めになり、波の進行方向が斜めになります。

補足

波面じゃないんです。光をまっすぐ飛ばすことを考えています。
なので、丸い波面を考えていないんです。

教えていただいたpistis_sophia_00さんの回答の右の図のように、
右に動けば、光は外から見たらまっすぐ上に、ロケットの中から見れば
後方に斜めに走るんじゃないでしょうか？