光速度不変と長い棒について

質問

２度目の投稿ですが、前回同様よろしくお願い致します。

光速度不変は光より速いものはない、と頭っから記憶しました。
地球から月に長い棒をかけて、ツートントンと月にモールス信号を
送ろうとしても、地球で押された棒が月で押し込まれるまでに
かかる時間は光速を超え得ない、と。
だから完全な剛体はない、と。
原子は、原子核と電子の間がスカスカの空間で、その空間が押しつぶされ
押しつぶされた原子が隣の原子を押しつぶし・・・と、押しつぶす力が
伝わっていく時間が光速以下だ、と。
でも、地球で１センチ棒を押すと月では１センチ押し込まれ、
この時の棒の移動距離は１センチですよね？
１センチ移動する、移動させるのにかかる時間が、地球から月に光が
届く時間より多くかかる、というのがどうしても理解できません。
私が理解しようがしまいが現実はそうなっているのでしょうが、
頭っからの記憶でなくわかりやすく理解させてもらえないでしょうか？
また、押したんでは押しつぶす力が伝わっていくのに時間がかかる、
というのなら、棒を持ち上げて１センチ移動させる、という場合は
どうなるのでしょうか？

回答No.2

sesame · ベストアンサー

>>「光よりはやいものは光より遅くなることはできず・・・」ということは光より速いものがあったのですか？
「光速度の限界」は、アインシュタインの相対論に基づいています。
相対論の方程式に質量を代入して計算すると、次のような結果が導かれます。

正の静止質量をもつ物体…速度にしたがって質量が増大し、光速で無限大になるので、事実上光速を超えることはできない
静止質量ゼロの物体…光速以外では動くことができない
静止質量が虚数の値をもつ物体…光速を下限とし、上限はなく無限の速度で動くことができる。しかし正の質量をもつ物質と相互作用することはできない

このうち、静止質量が虚数の値をもつ仮想的粒子はタキオンと名づけられています。
実際には見つかっていない…というか我々の通常世界とは相互作用をしないので観測のしようがないのですが、ともかくそういう存在がありうることを理論上は誰も否定できない、ということですね。

>>「最も密度の高い通常物質」というのはどういうことでしょうか？
>>どんな物質も原子からできている以上スカスカ状態なのは同じなのではないのでしょうか？原子核と電子の距離が違うのかな？
通常物質の弾性変形が原子レベルではどのように起こるのかはうまく説明できない（というより私はよくわかってない(^_^;)）のですが、経験的に密度が高い物質、つまり原子量が大きい元素で構成されており、原子間の結合の力が強く、かつ分子間の空隙が少ない物質の方が弾性変形・粘性変形を起こしにくいような気が経験的にしたので、こんな書き方をしてしまいました。

中性子星の内核を構成している縮退物質は、いわば巨大な原子核ともいえる中性子のカタマリで、量子間の核力でがっちりとくっつき合っており、その間には電子の入る隙間さえありません。
そういう物質でもし丈夫な長い棒を作ったら、原子間力で結びついている通常物質のような塑性変形をしないので、もしかして変形の伝達速度を光速まで上げられるのではないかな？ とか夢想したのですが…ごめんなさい、これも素人の妄想の域を出ません。

>>「最低1.3秒後」ということは、たった1センチの移動に1.3秒かかるという考え方でいいのでしょうか？
そうではなくて、地球側で1cm押し込むと、それは棒の中を弾性変形としてすみやかに伝わっていき、理想的には光速で月側の向こう端まで伝わります。
地球－月間の距離は384,400kmあり、光速で約1.3秒かかるので、最大でもこれ以上の時間はかかる、ということです。

補足

再回答ありがとうございます。
移動、ではなく弾性変形の伝わり、と考えなくてはいけないんですね。
それと、ついでといっては教えていただくのに大変失礼なのですが、
実際には見つかっていない、正の質量をもつ物質と相互作用することのない
粒子を何故考える必要があったのでしょうか？
エーテルの時は存在を考える必要があり、結局、絶対静止系は扱えない、
あってもなくても同じ、影響なし、ということになったと覚えていますが。
これも教えてもらえますか？　お願いします。

回答No.3

sesame

>>実際には見つかっていない、正の質量をもつ物質と相互作用することのない粒子を何故考える必要があったのでしょうか？
私は物理学者でも数学者でもないので、これを答える資格は本当はないのですが(^_^;)

一言でいうと「自然科学者は考えられる可能性を無視することは許されないからだ」ということでしょうか。

相対性理論の式に虚数や負数を代入してはいけない理論的な理由はない→理由がないなら入れてみなければならない→入れてみたらこんな解が出た→解が出たので考えてみよう、という流れだったようです。

フロギストンやエーテルなどの、実際の物理現象を説明するために考え出されたモデルとはちょうど逆の行き方ですね。

電磁気学や量子力学でも、虚数解を解くことが、単なる机上の空論ではなくて実際の現象を説明するモデルとして実効をあげつつありますから、相対論の虚数解によって説明できる物理現象というのも、いつかは絵空事ではなくなるかもしれませんね。

お礼

人間の知への探求は有用、無用とは関係ない、ということでしょうね。
いや、知への探求に無用なものはない、というべきでしょうか。
ありがとうございました。

回答No.1

sesame

>>光速度不変は光より速いものはない、と頭っから記憶しました。
より正確には
「光より速いものは光より遅くなることはできず、光より遅いものは光より速くなることはできない」
です。
また光速度不変の法則は「真空中で」という条件がつくので、媒質中ではもちろん29,792,458m/sより遅くなります。

>>地球で1センチ棒を押すと月では1センチ押し込まれ、この時の棒の移動距離は1センチですよね？
地球で1センチ棒を押すと、最も密度の高い通常物質を使っても、月で1センチの移動が確認されるのは最低1.3秒後になります。
理由はken007さんがお書きになっているとおり。

ただ、「原子核と電子の間がスカスカの空間で、その空間が押しつぶされ押しつぶされた原子が隣の原子を押しつぶし」という表現は通常物質についてしか成り立たないような気がしました。
これが中性子星や宇宙ひものような縮退物質の場合はどうなるんでしょうね？
…というのは今まで考えたこともありませんでした。どうなるんだろ？
私も詳しい方の回答を待ちたいです。

>>棒を持ち上げて１センチ移動させる、という場合はどうなるのでしょうか？
ちょっとこれ、どういう作業かイメージがわかないんですが…。
「棒を押す」というのとどう違うんでしょう？ すみませんが、補足していただけますか。

補足

さっそく回答いただきありがとうございます。
「光よりはやいものは光より遅くなることはできず・・・」ということは
光より速いものがあったのですか？
ない、と頭っから覚えていたもので・・・。教えてください。
「最も密度の高い通常物質」というのはどういうことでしょうか？
どんな物質も原子からできている以上スカスカ状態なのは同じなのでは
ないのでしょうか？原子核と電子の距離が違うのかな？
「最低１．３秒後」ということは、たった１センチの移動に１．３秒かかる
という考え方でいいのでしょうか？ここのところがよくわからないのです。

棒を持ち上げて・・・、というのは、棒を持ち上げ月に向かって移動させ
下ろす、という事だったのですが、そんの事してりゃ時間かかるのあたりまえ
でしたね。もっとよく考えて質問するようにします。ごめんなさい。