光のドップラー効果

質問

光のドップラー効果が起こる理由を判りやすく説明して頂けないでしょうか。
相対論では光の速度が一定と言うことになっているので、自分の速度と光の速度と
の差がない筈なのにどうしてドップラー効果が起きるのでしょう。

回答No.7

pei-pei

>相対論と辻褄を合わせるために「自分が動くとエーテルも一緒に動く」という仮定
>をしていますが、何かもの凄く違和感を感じます。
>エーテルは仮想の物質なので「存在しない」と考えなくてはなりませんね。実際
>は。
>ドップラー効果を説明する時だけエーテルを持ち出さなくてはならないのはやはり
>納得できません。何かうまい説明はないものでしょうか。

エーテルを持ち出さないで、光のドップラー効果を説明しようとすると、やはりNo.5の回答になってしまうと思います。

>自分の周りのエーテルはどの範囲まで一緒に動くのでしょう。自分が動くと宇宙全
>体のエーテルが動くのであれば、自分以外の物が動いている場合、例えば光源が動
>いている場合、エーテルはどのように振る舞うのでしょう。

あくまでもエーテルが実在するとしての話ですが、
観測者が動けば宇宙全てのエーテルが観測者と供に動きます。しかしそれは「その観測者にとっては動く」という意味です。別の観測者にとってはエーテルは別の動き（その観測者と同じ動き）をしています。したがって光源が動いても、ある観測者にとってエーテルが動くわけではありません。

>自分が動くと宇宙全体のエーテルが動くのであれば自分が少し回転すると宇宙の彼
>方のエーテルはもの凄い速度で動き出します。

これも、あくまでもエーテルが実在するとしての話ですが、
エーテルは観測者の並進運動に伴って動きます。回転運動の影響は受けません。したがってエーテルの速度は光速を超えられません。

でも、そもそも速度って何でしょう。ある観測者がいて初めて、他のものの速度を考えることができるはずです。つまり速度とは常に「ある観測者から見た相対速度」に過ぎないのです。それが相対論の始まりです。
ここから先はやはり相対論を本格的に勉強するしかないでしょうね。私も相対論を完全に理解しているとは思っていません。cestunlivreさんとのやり取りの中で私自身もずいぶん勉強させて頂き、ありがたく思っています。

おっと、これで終わりという意味ではないですよ。さらに疑問があるようなら一緒に考えていきましょう。

補足

ありがとうございます。もう少し一緒に考えさせてください。

もう一度、基本に戻りたいと思います。光のドップラー効果は光が波動であることから簡単な解説書では音からの類推で説明が片付けられていますが、ここをもう少し突っ込みたいと思います。

音のドップラー効果とは、空気の疎密が空気に対して止まっている観測者に到達する本来の周期が、観測者の動きによって変化することだと考えられます。これは音源が空気に対して動いた時でも同じです。音源が動けば音源から発せられる空気の疎密の周期は本来の周期から変化してしまいます。

では、光の場合はどうでしょう。光は電磁波なので電界と磁界とが交互に変化した波が観測者に押し寄せてくるのでしょう。光を感じるということはこの電界と磁界との波のエネルギーを感じ取ることになると思います。

光のドップラー効果とはこの電界と磁界の波の周期が観測者の動きに対応して変化すると言うことになります。このとき光源の存在は関係ないと思います。音の場合でも同じだと思います。電界や磁界が「何か」を基準にして伝搬しているならその「何か」と観測者との相対速度の違いによって周期が変化すると言えます。

この「何か」を仮想の伝達物質であるエーテルにしようとしたのですが、エーテルの性質があまりにも例外の多すぎる仮定に基づくため説明が非常にぎこちなく感じられました。

そこで光は絶対的に静止した空間を媒質を必要とせず伝搬するとすれば空間に対する観測者の速度が定義できてドップラー効果がうまく説明できます。つまり空間に見えない目盛りがふってあってそれに基づいて伝搬すると考えるのです。この目盛りは何があっても動かないのでエーテルのように例外を設ける必要はありません。

しかしこれを仮定すると相対論の大原則である「光速不変」と矛盾が生じることになります。

現実に起こっている光のドップラー効果はどういった原理なのでしょう。「光速不変」が邪魔をして全く分かりません。