光と時間の関係について

質問

物理学には全くの素人ですが、よく光の速さを超えるスピードで移動すると時間が遅くなるとか戻るとか言われます。素人考えですが、なぜ光を超えるとそのような現象が起きるのか、そもそも光と時間がどう関係しているのかが分かりません。
　光が時間の流さをコントロールしているのでしょうか。光以上の速さはないというのが定説ですが、それと関係kるのでしょうか。なんかピンとこないことばかりで恐縮ですが、素人にも分かる説明をいただけたら有難いです。
　よろしくお願いします。

回答No.4

ryumu

まず、「光速が一定である」とはどういうことか？というのがポイントだと思います。

これは様々な実験結果から、”どうやら発光体が動いていても、止まっていても、観測される光の速度は一定のようだ”ということから、立てられた仮説です（光速不変の原理）。

これが正しいとなると、どうなるのか？

高層ビルのエレベーターで最上階にいるとしましょう。
エレベーターの室内で、一方の壁から対面する壁に向かってボールを投げる実験をしたとします。
まず、最上階に停まったままボールを投げると、エレベーター室内で、弧を描いて壁にぶつかるか、床に落ちることでしょう（重力があるため）。

それでは、エレベーターのワイヤーが切れて、エレベーター自体が落下し始めたとします（以後、エレベーターは常に落下し続けているとします）。
大変な事態ですが、それはひとまず置いておいて、落下中に、先と同じようにボールを壁に向かって投げてみたらどうなるでしょうか？
落下中のエレベーター室内は、見かけ上、無重力状態となります。
従って、エレベーター室内では、投げられたボールは、等速直線運動で壁に向かってまっすぐ進みます（室内では弧を描かない）。

一方、このエレベーターがガラス張りで、地上からもボールの運動を観察していたとします。
この時、地上の観測者は、弧を描いて落下するボールが見えるでしょう（まあ、エレベータごと落ちているのですが）。

これは、エレベーターの中の観察者と地上からの観察者とでは、見える現象が異なることを示しています。
つまり、エレベーター内の観察者には、ボールは等速直線運動をしていると判断され、地上からは弧を描く落下運動（＝加速度運動）をしていると判断されます。
しかも、ボールの移動距離についても、エレベーター内では、壁から壁の短い距離（lとしましょう）の運動。
しかし、地上からは、落下している分、より長く移動しているように見えます（弧を描いていますから）。
地上から観察された、弧を描いたボールの移動距離をLとすると、必ずl<Lとなります（これも重要な結論です）。

さて、このボールを「光」に置き換えます。
先に述べた、「光速不変の原理」が正しいとすれば、どうなるのか？
これはつまり、エレベーター内で測定した光速と、地上から測定した光速が、一致しなければならない、ということです。
でも、エレベーター内での光の移動距離は、地上で観察される移動距離よりも短い（l<L）。
しかし今、光速度はどちらでも一緒と仮定した。

光速度をcとすると、エレベーター内で測定した移動時間をtとすれば、ct=l。
一方、地上で測定した移動時間をTとすると、cT=L
で、l<Lは絶対。
となると、ct<cT => t<T となるしかない。
つまり、エレベーター内と地上では、時間の流れが異なる!

もっと言えば、地上（重力の影響が強い）の方がゆっくりと時間が流れる、ということになります。

これは、「光速不変の原理」が正しいと仮定すると得られる結論なのですが、精度の良い時計を使った実験で、今のところ正しいという結果が出ています。

ですので、重力がどんどん強くなると、時間はどんどんゆっくり進むはずです。
では重力無限大だとどうなるのか？・・・と妄想すれば楽しいですが、人がその場にいれば潰されて死んじゃうでしょうね＾＾；

ちなみに、l<Lの件ですが、これは「重力で空間が曲げらている」という解釈にも繋がっています。