光速不変の根拠となる実験

質問

特殊相対性理論で光速は不変であると定義されていますが、それを証明する実験の内容と結果について教えていただけませんか？
この「光速は不変」について今までこのカテゴリーでいろいろ議論されてきましたしその回答にある関連サイトにも行きましたが、その根拠について納得できる説明にたどりつけません。
ちなみに私は化学系出身なので詳しい相対性理論を習っていません。

回答No.3

noname#11476 · ベストアンサー

特殊相対論が出来る前、光の速度についての議論が盛んだった時代がありました。そのときには、光の速度は有限であることはわかっていましたが、光がどんな媒質をとおるのか（今では何もないところをとおることがわかっていますが、当時は波を伝える物質：エーテルと呼ばれていました）があると言われていました。
しかし、マイケルソン＝モーレーが光を２つの正反対の方向にとばしてその速度をそれぞれは刈る試験を行い、光の速度がどちらも同じになることがわかりました。
ここではエーテルですが、そのまま実は「ある慣性系」と見なしてもかまいません。その慣性系が地球の公転、自転と同じに動いていると考えるのにはやはり無理があります。
一番はじめの光の速度普遍を示唆する実験としてはこれが最初だと思います。
そんな中で、かのアインシュタイン博士が思いついた上の現象を説明できる答えが、光の速度はどの慣性系から見ても速度が同じであるという結論でした。
ちなみにこの時の式自体はローレンツ変換式と呼ばれ、アインシュタインが始めに立てた式ではありません。すでにこの式でうまく説明できる現象はあったのですね。でも、大きな違いは相対論の考え方でした。
その数年後（確か４年後）には重力加速度系への拡張が行われた一般相対性理論に発展し、相対論が完成します。

では、その後直接確かめることが出来たのかというと、相対論そのものがそういう直接的な観測が困難であるという理論であるため、そのような試験結果があるわけではないのです。
その後の科学者の興味は、この相対論が正しいのかどうかという点（光の速度を試験するのではなくて）に注目を集めることになります。
で、天体の観測結果（ある星がこの相対論が正しければ、相対論を考慮していないときよりも見える星の時間が違う）による証明、天体スペクトルのドップラーシフトの測定、飛行機に載せた精密時計の時間が地上にある時計とずれること、などなど色んな観測結果を合わせて少しずつ証明されていったようです。

最近では、先に回答されている方がふれている、粒子加速器で光速度に近い速度で粒子をとばすと寿命が延びること、質量が増大すること（いずれも地上の私たちから見てそう見えるというだけです）などから、間違いない物であると皆が確信しています。

というわけで、結論は、まさにそのものずばりを証明する実験はない。というのが答えです。
但し、相対論自体は証明されているので、当然光速度不変の原理も証明されていると言うことです。

以上が私の理解です。

お礼

詳しい回答をありがとうございます。
たいてい相対性理論の論議をすると「すでに実証済み」とのスタンスから話が進むものですから。
しかし、どんな速度で動いているものから光が発生られても光速不変と言うのは私は判ります。光の速度を考えるときには波動として考え、質量は０と考えるのですから動いているものからの運動エネルギーからの影響はほとんどないですからね。
でも、これである理論から推測した測定結果は実証済みということがわかりました！ありがとうございました！！

回答No.4

tullio

さらに補足なんですが．．．マイケルソン・モーレーのような100年近く前の実験でなくても，毎年のように精度をあげた実験結果が報告されておりますので，光速不変はかなり信憑性が高いと安心して考えてください．
もちろん，水中などと真空では光速が異なるのは変わりません.

ただし，ブランス・ディッキー理論のような，「定数」が時間と共に変化するという理論もありますので，光速不変が確率１で成り立つかどうかは私には分かりません．

回答No.2

punchan_jp

むか～し読んだような記憶があるだけなので不正確かもしれません
が、地球は公転や自転をしていますので、地上はそれなりの方向に
それなりの速度で動いています。ところが、どの方向で光速を測定
しても変化がなかったという実験結果があるそうです。
あやふやですみません。

お礼

お答えありがとうございます。
しかし地球上で測定している限り、動いているものからの光速への影響は測定不可能に思えるのですが・・・。
なにしろ１秒間に地球を７周半もするんですから、光源から測定器まで光が届く間に地球がどれだけ動くのでしょうか？

回答No.1

frank

私が知っている｢光速不変」を証明した実験を紹介します。
証明したというよりは、以下の内容はある実験方法の１部分でしかないのですが…

粒子を加速器で光速近くまで加速させます。
光速ほどの速さに物質を加速させ、ある点でローレンツ力かなにかで運動方向を曲げてやると、粒子は元の運動方向に特殊な光を放ちますこれをSR光と言いますが、この光が光速に近い速度の物から発射されたのに、光は光速なのだそうです。
「なぜか？」と聞かれると答えられません。「事実である」としか私には言えません。こんな回答ですいません。

確かな文献が手元にないため間違いがあるかと思いますので、どなたか間違いに気づかれましたらご指摘ください。

お礼

早速の回答ありがとうございました。
しかしその実験では光速近くまで加速された粒子から見た（相対的な）光速は判りませんよね？
光速に近い物から見てもやはり光速だと言う実験結果にはなりませんよね。