相対性理論

質問

私は専門外ですし、物理は高校以来学んでいない者です。

相対性理論の光の速度が不変というのがよくわかりません。
そこから導き出される時間や空間はあくまで相対的等のことは理解できますが、大元の光の速度がなぜ不変といえるのかがわかりません。

素人にもわかるよう説明してもらえませんか？

回答No.7

lv4u · ベストアンサー

>>相対性理論の光の速度が不変というのがよくわかりません。

確かに、「光の速度が不変」といいながらも水中では、その早さは３／４ほどになり、また水の流速によって変化します。
そのため、相対論以前、光の速さは、絶対空間ともいえるエーテルと、水という媒質の２つの影響を受けると考えられました。
そして、流速によって光の速度が変化する割合を、フィゾーが1851年に測定し、随伴係数を算出しました。
つまり、この段階では、光速度の問題は、相対論を全く考えることなく説明できていました。

でも、水という媒体と光の速度の関係は解明できたとして、エーテルと光速度の関係はどうなのか？エーテルは絶対静止系なのか、それとも地球がエーテルを身にまとって移動しているのか？それとも、別の解釈があるのか？という疑問が残ったのです。

それを解明しようとして、有名なマイケルソン・モーレーの実験が行われました。その結果は、「エーテル風は存在しない」という結論になりました。ただ、「エーテル風が存在しないこと－－＞光速度不変」という結論を引き出すのは、論理の飛躍だったといえるでしょう。

今から２０年前に「アインシュタインの相対性理論は間違っていた」という書籍が発売され、そして関連本がいくつも出版されました。このときに、相対論否定派と相対論肯定派の対決は、完全に決着がつかないまま、膠着状態になっていたように思います。
ただ、その後に、相対論肯定派が「実験結果により相対性理論の正しさが証明された！」とした実験結果が、ＥＳ細胞捏造事件のように、どれもが、データ捏造、デッチアッゲ、不十分な推論での結論づけということが明らかになってきたことにより、相対論否定派のＷＥＢサイトは、現時点でも衰えていないようです。

ですので、コンノ・ケンイチ氏や窪田氏は「相対論は間違っている。マイケルソン・モーレーの実験解釈が変だ！」というような攻撃のやり方だったので、白黒が付きにくい論争になったのではないかと思いますが、現時点では、「相対論が正しいと○○の実験から証明された」とされるいくつかの実験の正当性が無くなってしまったことを強調した攻撃のほうが良いのではないか？と思っています。

なお、アインシュタイン自身は、特殊相対性理論を作り上げるとき、その当時に測定座標で結果に相違が出る「マクスウエルの波動方程式」を意識していたと主張し、マイケルソン・モーレーの実験は意識しなかったそうです。ウィッキペディアにも、特殊相対性理論について「アルベルト・アインシュタインが1905年に発表した”電磁気学の理論”である。」と記載されています。

いずれにしても、質問者さんの「相対性理論の光の速度が不変がよくわかりません」というのは正当な疑問であり、現時点でも証明されずに仮説だと考えたほうがいいと思います。

お礼

ご回答ありがとうございます。
結局、光の速度が不変というのは仮説で、その仮説に基づいて導き出されることで全て説明でき、矛盾する事象は未だに見つかっていないと言うことですね。

回答No.6

rnakamra

光とは電磁波のことです。例えば可視光とは波長が400nm～800nmくらい(人により差がある)の電磁波のことです。

電磁波とは電場と磁場の変化の伝播のことですが、電場と磁場はMaxwell方程式に従います。
当然電磁波もMaxwell方程式に従います。

何もない真空中という条件でMaxwell方程式を解くと
ΔE=μ_o*ε_o*∂^2E/∂t^2
ΔB=μ_o*ε_o*∂^2B/∂t^2
の式が得られます。(E:電界ベクトル,B:磁束密度ベクトル,μ_0:真空の透磁率,ε_o:真空の誘電率)
これはE,Bが速さ1/√(μ_o*ε_o)で伝わる波であることを意味します。

つまり、光の速さとは真空の透磁率と誘電率のみで決まることが分かりますが、何もない真空の性質が異なる慣性系ごとに違うということ自体おかしなこと。となるとむしろ真空中の光速は慣性系によらないとした方が自然なのです。

お礼

ご回答ありがとうございます。

回答No.5

noname#195146

>大元の光の速度がなぜ不変といえるのかがわかりません。

　どんな物理学者であろうとも、なぜ不変なのかは一切知りません。特に理由を調べてもいません（どこから手を付けいいか分からない等の理由による）。どう測定してもそうなので、それを「そういうものだとしておこう」と受け入れているだけなんですね。

　そして、それを「光速度不変の『原理』」と呼んでいます。物理学でいう原理とは、「証明抜きに受け入れる事実、理屈」のことです。つまり、「原理」はなぜそうなのかは抜きです。

　なお、例えば「てこの原理」などと言いますが、現在では一般用語であって、物理学的には原理ではないです。力学で説明できてしまいますので。

「光速度不変の原理」が将来に渡ってずっと原理であり続けるかどうかは分かりません。宇宙の誕生や素粒子をもっと調べて行くうちに、光速度がなぜ不変なのか分かったりするかもしれませんから。しかしそうなったらなったで、光速度不変を説明する何らかの原理がまた出てくることは、ほぼ疑いなしです。

　物理学は物事を無から説明する学問ではないから、そうなってしまうんでしょうね。あるものはあるとして、それの振る舞いがどうなのかしか調べないのが物理学です。

お礼

ご回答ありがとうございます。

回答No.4

麻野 なぎ（@AsanoNagi）

「なぜ」光速度が一定なのかは、はっきり解明されていないと思います。

ただ、以下のような経緯があるようです。
まず、一般的に「光の速度が不変」と表現されますが、正しくは、「真空中の光の速度は観測者によらず一定である」という意味です。
たとえば、水中を通過する光の速度は、少し遅くなります。

さらにいえば、「光が」ではなくて、「電磁波が」ということにもなります。電波などにもいえる性質です。

光は波としての性質を持ちます。
そこで、まず、「波」の一般的な性質をいえば、波は、その波を伝える物質（媒質）の性質により、一定の速度を持ちます。
水面を船が走る場合、船の前方に向かう波も、後方に向かう波も、「水面」に対しては、同じ速度で広がります。
同じように、まず、真空中を進む光は、真空の性質（具体的には、真空の透磁率と真空の誘電率）によって決まるスピードで進みます。

さて、ここまでは、「媒質」を基準とした速度の話でした。
水面は、観測者に対する相対速度を持ちます。
なので、川上に向かって船が進むと、それを岸辺から見ている人にとって、川上に向かう波は（水の流れる速度がマイナスされるので）遅く、川下に向かう波は速く見えます。

ところが、「真空中の光」が進む媒質である、「真空」は、観測者に対して、動いているようには見えません。そんなわけで、真空中を進む光は、一定に見えるのです。

と、おおざっぱに言えば、こういう説明になるのかもしれません。

もともと、電気と時期の時間的な変化の様子を説明した、「マクスウエルの波動方程式」というのがあります。
この方程式で、「電気と磁場の相互作用で進行していくもの＝電磁波」の存在が予言されました。そして、その「電磁波」の速度を計算してみると、当時知られていた、光の速度と同じであったということがわかりました。
このことから、「光というのは実は電磁波のひとつだ」ということがわかってきたのです。

そして、この方程式を、「座標変換」という方法で、他の「等速直線運動をする観測者」から見ると、どう見えるか？　と考えると、「どの観測者から見ても、速度は一定である」という計算結果が得られます。

電磁波の性質から導かれた方程式ですから、「どの観測者から見ても速度は一定である」ということ自体は、間違いがなさそうです。
ただ、この結果から、すぐに、「光速度は一定である」と結論づけられたのではなく、「見かけ上相見えるだけだ」として、様々な解釈がなされました。

その、様々な解釈のなかで、最も自然（＝必要以上に複雑な議論をせずに）物理現象を説明できるのが、「光速度一定」という仮定から、スタートした、特殊相対性理論だったのです。

お礼

ご回答ありがとうございます。
結局、光の速度が不変というのは仮説で、その仮説に基づいて導き出されることで全て説明でき、矛盾する事象は未だに見つかっていないと言うことですね。

回答No.3

kamobedanjoh

光の伝播を妨げる物が無ければ、光源から放たれた初速がそのまま保たれます。
従って「光速不変」には「真空中で」と言う条件が与えられています。
媒体中を伝わる場合には、可視光でも、波長の違いによって速度が異なり、虹やプリズムによる分光現象が起きます。
深い水が青く見えたり、朝・昼・夕で空の色が変わるのも、大気中での波長による速度の違いを反映する現象です。速度の違いは、減衰の強さにも関係します。
光も電磁波ですから、いわゆる電波も媒体が同じなら同じ速度で伝わります。
ガラスも光を通しますが、大気中とは速度が異なります。そのため屈折現象が起こり、レンズにも応用されます。
真空中で毎秒約３０万kmですが、大気中ではやや遅くなり、水中ではもっと遅くなります。

お礼

ご回答ありがとうございます。

回答No.2

tetsumyi

なぜ普遍かという答えは、私たちの居る宇宙空間がそうなっているからです。
光の速度を測定する実験が多く行われましたが地球の運行速度の影響を受けないと言う結果が繰り返し出てきたので、アインシュタインはそれを事実として認めて、そうなるにはどんな条件が必要か洞察して光の速度が普遍になるような空間（非ユークリッド空間）を取り入れることで解決できることを発表しました。
その結果として、数学的に導かれる様々な物理現象は実際の測定で検証できて、光の速度が普遍が事実であると認めざるを得なくなりました。

発表された当時著名な物理学者でさえ簡単には認めることができなかったのですから、素人わかるように説明するには非ユークリッド幾何学の基礎から説明する必要があり、簡単な説明は無理ですから自分で調べて勉強してください。
物理学とは実際の測定結果を認めその現象を数式で表すことで物理法則を構築することにあり、自然の法則を認めることを基礎として成り立っています。
なぜ存在するか、なぜその法則があるかは神だけが知ることです。

お礼

ご回答ありがとうございます。

回答No.1

maiko0318

時速５０kmの車を時速２０kmで追いかけたら見かけの速度は３０kmになります。
５０－２０＝３０ですね。

では、秒速３０万キロの光の速度で光を追いかけたら光はどう見えるのでしょうか？
３０万キロー３０万キロ＝０？
止まって見える？いや、動いているから見えるのではないか？

と、アインシュタインが考察してた時、出てきたのが「光は止まらない」
秒速３０万キロで追いかけても光は秒速３０万キロで走っている。

というひらめきです。

その理論から空間が曲がる。時間が遅れる。など信じられない結果が出てきましたが、
その後、観測によってその理論が正しいことが確認されました。

「なぜ不変といえるのか」の答えはありません。ただのひらめきです。

お礼

私が知りたいのはなぜ光速が不変なのかと言うことです。