光速について

質問

この質問については、数多くありますが納得ができないため質問をさせていただきます。
相対性理論などはまったくわからないため、なるべくわかりやすい回答をお願いします。
(1)光速に近づくと光速で移動している人とそれを観測している人では時間の進み方が変わるということを学びました。
たとえば、新幹線や飛行機で移動をしている人を地上にいる人ではごく僅かの時間ですが微妙に時間が遅くなり違うそうです。
しかし、同じ時空にいる以上時の進みも一定ではないのでしょうか。速く移動している人ほど時間が遅くなるのはなぜでしょうか。

(2)理論上、光速に近い速度で移動する人は、実体が縮んで見えるようになるそうですが残像現象で伸びないのはなぜでしょうか。

(3)空気中または真空中において光の速度はなぜ変わらないのでしょうか。
トリビアの泉でもやっていましたが、時速５０キロに走る車からその逆向きに同じ速さでボールを発射するとその場で静止（速度０）して落ちてしまいました。逆向きならば、進行方向に初速５０キロで投射されるわけですから、静止した状態で時速５０キロで投射した時より長く飛ぶと思います。
光は、なぜ空気中や真空中においては、光源の速度にかかわらず一定なのでしょうか。質量が限りなく０に近く、物理法則とは違うからですか？

回答No.10

雪中庵（@psytex）

１．光速不変の法則とは、「観察者に対して光速は
　　常に一定（c）である」というものです。
　　つまり、光速で運動している宇宙船を構成して
　　いる物体の「光速で運動できる可能性」は、
　　全て運動方向に費やされ、それ以外の方向には
　　作用（相互作用＝時間経過）できないのです。

２．光速で運動する宇宙船の中では時間が過ぎない
　　ので、距離の経過は一瞬です。
　　「残像」は、生理的な現象であり、物理現象
　　には考慮されません。

３．空気中や水中など、質量のある物体の中では、
　　光の速度は遅くなります。質量＝重力により
　　空間が曲がる（＝圧縮される）からです。

４．光速が一定であり不変なのは、全ての存在は
　　最終的（超弦）に量子定常波＝光速に還元され、
　　その「超弦（量子定常波）＜クォーク＜素粒子
　　＜原子＜分子＜細胞＜認識体（脳）」という
　　階層現象化において生じる非光速性において、
　　「超光速=過去=記憶(自我仮説)=時間軸」と
　　「光速下=未来=予測(空間仮説)=空間軸」の
　　対発生として、仮想的（階層現象表面的定性化）
　　に時空は生じているのです。
　　そこにおいて、光速＝ライトコーンは、時間軸
　　と空間軸の虚数関係によって生じる等距離点の
　　０の面（界面原点）として得られているのです。
　　つまり、仮想的時空＝『何かあるんじゃないの』
　　という疑問として相補分化した環境を、『本当は
　　ないんだけどね』と無へと還元するものとして。

回答No.9

noname#231195

>(3)空気中または真空中において光の速度はなぜ変わらないのでしょうか。
それが空間の性質だからですよ。
こんなことは不思議でも何でもないです。音の速度についてはいつでも経験していることです。光の速度についてもそのアナロジーで理解できるのではないかと思うのです。
例えば、救急車がサイレンを鳴らして走っているとき、救急車が速く走れば走るほど、サイレンの音は早く届くんですか?

もちろんこれは相対性理論に対する説明にはなりませんし、光速度が不変という言い方は同じでも、相対性理論は本質的に全然違うことを言っていると私は理解しています。
でも、音速で"音速不変"が体験できるのに、光速度が不変という事実がことさら奇妙に感じられるのは、私にはそっちの方が奇妙です。

それで光速度不変ということを前提にすれば、ご質問の(1)については計算すればそうなります。
そんなむつかしい数学じゃありません。四則演算ができて、三平方の定理を知っていれば簡単に計算できます。

(2)については、おっしゃる通り伸びるかもしれません。ただ残像現象と言うのは人間の生理的な機構ですからこの話題とは全く関係ないです。
でも、今は光の速度の話をしているのですから、目に入ってくる光の時間差も考慮に入れなければならないです。光速度で飛んでいる飛行機を考えて、それを進行方向の横から 見ているとします。
機首からの光と、尾翼からの光が同時に入ってくるなら、飛行機は短くなって見えるはずです。でも目から距離が違いますから、機首を見ている光と尾翼を見ている光は、飛行機から同時に出てきたわけじゃありません。
尾翼が遠くにある場合は、今機首を見ている光より前に尾翼から出てきた光を見て飛行機全体のイメージを認識するわけです。すると縮んで見えるというのも必ずしも正しくないかもしれません。

回答No.8

chiha2525_

特殊相対性理論は、簡単な入門書がたくさん出ていますので、まずはそちらの１冊でも読んで理解に努めるのが良いと思います。

光（電磁波）ってのは光速で伝わり、それ以上でもそれ以下でもない（媒体中云々は考えないとして）ってものなのですね。光速ってのは光の速度っていうより、この世の伝達速度の上限で、光もその速度で伝わるって思ったほうがよいのですが、まぁそれは質量０だからとかエネルギーだからとかいろいろ言えるのですが、理由はともかく、そういういつも光速で伝わるものなのです。でもって何故そういうものなのかは物理学ではあまり上手くいえなくて、現実がそうだからそうなのだってのが本当のところなのです。
なので、地上から出た光も飛行機やロケットやはるかに速く飛び去る宇宙の何かから出た光も、どれも同じ”光速”でしか観測されないのです。

で、この、どれも同じ”光速”でしか観測されないってのが、”同じ光”を測定して地上と飛行機とロケットで、同じ”光速”に観測されるっておかしいじゃない？ってところから、特殊相対性理論で、時間や距離が観測者によって変わるから同じ”光速”で観測されるんだよ、って話になっていきます。

まぁ最初に書いたように、簡単な入門書には、どれもちゃんと分かるようにこのことが書かれているので、まずはそちらを読んで理解に努めるのが早いと思います。

回答No.7

tetsumyi

真空中において光の速度はなぜ変わらないか、と言うこと以前に多くの光の速度を測定した実験でいつでも光の速度は一定という結果があったのですが、そのう問題を解決するために唯一数学的な手（非ユークリッド空間）で矛盾無く説明できる相対性理論を導き出したのです。
この理論はそれまでの絶対的な空間と言う考え方を改めて、絶対空間は無く距離、時間は相対的なものであるという考えに到達したのです。
空間で全ての物は動き回っていますが、どれが停止しているか決める手段はありません。
一方光はそれ自体時間を持たず、どんな距離でも一瞬で到達できるのです。
これを数式で表現すると、距離と時間は相互に関係しその関係式を結びつけるのが光の速度であり、相対性理論の重要な定数となります。
実際には光の速度が一定ということが根本的な理論ではなく、宇宙空間では1つの物理現象は他の場所に影響を与えるのに必ず時間以上の遅れが発生しその遅れが光の速度であり重力波、ニュートリノの速度として観測できるだけです。
速度が足し算できていくらでも大きくなるとすれば、全ての物体は宇宙の全ての質量から直接影響を受け固定されて動きが取れなくなるでしょう。
時間の遅れがある故に適度の慣性の法則、時間の進行が可能になるのです。

回答No.6

FEX2053

すげーぶっちゃけた説明をします。

相対性理論の「光速度不変」は、「予測が外れたことで、意外で、
かつ大きな結果が得られた実験」として有名な「マイケルソン・
モーリーの実験」などから「推測された」ものです。
https://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

相対性理論は、上記実験などの「ニュートン力学だと説明できない」
事象を、「うまく説明できる」理論として考え出されたもので、
色々な「相対性理論だとこうなる」ってのは、各々の事象を観測して
得られたものではなく、「相対性理論が正しいとこうなるはず」と
「言われている」ものにすぎません。

・・・まあ、その多くは最近までに直接・間接的に証明されてますが。

なので、「そうなるんだ」と無理やりに了解するのが「相対性理論」だ
と思っておいた方が正解です（苦笑）。

回答No.5

SPROCKETER

（１）仮に光速度に非常に近い速度で飛べる宇宙船があったとして、宇宙を一周して帰って来たとします。その間に宇宙船内では１時間しか過ぎていませんが、地球では４０億年が過ぎているとします。４０億年の時間差があると、船内と船外で宇宙定数に大きな違いがあるはずで、宇宙定数が違うのに宇宙船が無事でいられるのかという問題が出て来るでしょうね。

　何百億年という時間差が生じた時に、どういう結果になるかが問題として残るでしょうね。何百憶年後は宇宙定数が大き過ぎて、星も銀河も爆発して消滅しているはずですが、宇宙船の外側と内側で何が起こるのかが矛盾しますからね。

（２）ローレンツ短縮は外界から宇宙船を見た時に縮んで見える現象ですが、肉眼では光速度で飛行する宇宙船は見えないので確認出来ないだろうと思います。

（３）水中と真空中では光速度は違います。水中の方が僅かに遅いのです。その為に、水中で光速度を超えるとチェレンコフ効果と呼ばれる現象が起こり、強い光を発します。光速度で飛行する物体から、光速度で物体を射出したら、停止するかですが、相対性理論では見る場所や運動方向によって変わるので、一概に言えないだろうと思います。

回答No.4

chie65535

＞同じ時空にいる以上時の進みも一定ではないのでしょうか。

「同じ時空にいる場合」は「時の進みは同じ」です。

ここで言う「同じ時空」とは「時間、空間、相対速度が同じ状態」です。

＞速く移動している人ほど時間が遅くなるのはなぜでしょうか。

「相対速度が異なる場合」には「異なる時空」になりますので「同じ時空」にはなりません。

「相対速度が違うと、時間の進みが異なって来る」と言う「理論」が「相対性理論」です。

「速く移動している人ほど時間が遅くなる」のではなくて「速く移動している人は、時間が遅くなると考えれば、光速度不変の原理が矛盾しなくなる」という話なのです。

お礼

ご回答ありがとうございます。
相対性理論の根本がいまいちわかっていないために、この同じ場所
、同じ時間に入れば同じ時空を共有しているという一般的な考えがあったのでよくわからなくなっていたようです。

回答No.3

ddtddtddt

(1)
＞・・・同じ時空にいる以上時の進みも一定ではないのでしょうか。・・・

　相対性理論の前提は、「隣の人は同じ時空にいない」です。ただ私の時空で隣の人の時空を観測する事は可能です。相対性理論以前では、この観測結果は、ガリレイ変換で表せるとされていました。

　　x’＝x－vt
　　t’＝t

　xとtは私の距離と時間，ダッシュ付きが隣の人の距離と時間です。vは私と隣人との相対速度。例えば私が速度vで走れば、隣の人はどんどん離れて行くし、速度vなりに隣人の歩行速度は、速くなったり遅くなったりする、と言ってるだけです(^^)。ガリレイ変換ではt’＝tなので、実質的に私と隣の人の時空は同じ訳です。

　相対性理論では、これがローレンツ変換に変わります。形が複雑なので式は出しませんが、相対速度に依存してx’が短くなったり、t’も相対速度に依存するようになります。

　その根拠は「光速度不変」です。(3)に関連しますが、「光速度不変」の言ってる事は、真空中において光の速度は変わらないではなく、私がどんな速度で走ってても、光との相対速度は変わらない（光速度のまま）です。

　「光速度不変」が何故成り立つのか、つまり「光速度不変」が成り立つ物理的機構は、今もってわかっていません。ただ「光速度不変」は観測事実なので（今現在も、追試・検証が続けられています）、それを認め、その事実と合うようにガリレイ変換を拡張すると、ローレンツ変換になります。

(2)
　残像まで考慮したら、伸びて見えるんじゃないかな？(^^)。ローレンツ短縮の言ってる事は、次のような事です。

　ここに私に対して静止した1mの棒が2本あったとして、一方の棒だけ残してもう一本の棒とともに私が速度vで走ったら、持ってる棒の長さは変わらないが、残した棒の長さはvとともに短くなる、です。これは残した棒が圧縮されたとか、物性が変わって短くなったとかではなく、残した棒の空間の距離が（私のと比べて）短くなったせいです。という事がローレンツ変換の計算結果からの予想で、非常に間接的な方法で確認されています。

　どうして間接的かというと、色々な理由からローレンツ短縮は非常に見えずらいらしいんですよ。それについて書かれた文献も、もちろんあります。

(3)
＞光（の速度）は、なぜ空気中や真空中においては、光源の速度にかかわらず一定なのでしょうか。

　伝播機構は全然違いますが、「源」の速度に関わらず伝播速度が一定な現象は、日常的にごまんとあります。例えば音波がそうです。音波は音源の速度に関わらず、一定の音速で伝わります。ただし私が走れば、音速は変化します。なお空気中で光は、ほんの少しだけ遅くなってるはずです。

　光速度不変の意味は、光との相対速度は検出できないです。だけど私が走らずに光源に走ってもらっても結果は同じなので、「光源の速度に関わらず光の速度は変わらない」と言われる時もあります。

　光の伝播機構は究極的には全くわかっていません。なので「光速度不変」が起きる理由も、謎のままです(^^;)。

お礼

ご回答ありがとうございます。
詳しく各質問へご回答いただきありがとうございます。
文系出身ですから、相対性理論を学術的に出されてしまうと、よくわからなくなってしまいます。しかし、隣にいる人との関係性の前提がすでに一般的な常識とは異なるということ大変興味深く、これらの疑問を考えるうえで非常に重要なものだと感じました。
光速度不変の法則について、とても興味を持ちました。たしかに、音波は盲点でした。ただ、音と違って光は、振動で伝うものよりエネルギーがそのままという感じでなぜなのかとさらに興味を掻き立てられました。
そして、こんな日常生活にありふれているのに、伝播する機構が何一つとして分かっていないだけど、知らずに使っているという飛行機の飛ぶ原理もそうですが実証されていないことがあることにまた本を読んで調べたりしたくなってしまいました。
簡単なさわりだけだとは思いますが、少し理解が進みました。ありがとうございます。

回答No.2

bandam4

本当にごくわずかで、誤差とも知覚できない何億分の１秒だそうです」←あなたが信じてるのなら　それでイイじゃん・・

人間って百年前後しか生きられないのに　何億分の１秒なんて数字　何処から割り出せるの？

回答No.1

bandam4

たとえば、新幹線や飛行機で移動をしている人を地上にいる人ではごく僅かの時間ですが微妙に時間が遅くなり違うそうです」←そうなのかな？

本当だとしたら　操縦士や機関士は　毎日運行してるのだから　他の人と比べれば　かなり時間のズレがある筈だが？

補足

本当にごくわずかで、誤差とも知覚できない何億分の１秒だそうです。