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.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。