相対性理論

質問

全くの素人が優しい相対性理論という本を読んで不思議に思ったことを質問します（笑）。
光がその場所の状態にかかわらず常に一定の（同じ）速度で動くということですが、そもそもなぜ光だけがそのような脱法的な（笑）法則が成り立つのでしょうか？その時点で判りません。それは科学的に（難解かどうかは関係なく）辻褄の合うことなのでしょうか？
あと、物質を光の速度に近づけると質量が大きくなると書いてあったのですが、それはどういうことなのでしょうか？よろしくお願いします。

回答No.1

www3goo2ne1jp · ベストアンサー

今、物理のカテゴリで質問を出したら、たまたま
rojin1973さんの質問が目に留まったので、簡単ながら
回答をしたいと思います。

まず、なぜ光が常に一定の速度で動くのかというご質問ですが、
これは「光速度不変の原理」といって、「法則」ではなく「原理」
ですので、この質問には誰も答えることができません＾＾；

しかし、この「光速度不変の原理」は
現在の物理法則全てに当てはめても辻褄が合い、
力学とは別の電磁気学の分野においてでも、光速度不変の原理が
要請されます。
（相対性理論ができる前に作られたマクスウェル方程式においても、
光速度不変の原理が成り立たなければ理論に矛盾が生じます。）

ですから、なぜ、光が一定の速度で動くのかという質問には
答えられませんが、光速度不変の原理が正しいかという質問には
自信を持って「正しい！」と答えることができます。

次に、なぜ物質を光の速度に近づけると質量が大きくなるのか
ということですが、これは物質が光速を超えられない、ということ
に起因します。

特殊相対性理論が導き出す方程式に「Ｅ＝ｍｃ＾２」
（Ｅ，エネルギー　ｍ、質量　ｃ、光速）というものがあります。
これがわれわれに示す事は、質量とエネルギーは等価であるという
事です。

わかりやすく説明するために、Ｅ＝１／２（ｍｖ＾２）を考えます。
これは質量ｍのものが速さｖで運動しているときのエネルギー
を示した方程式です。
この方程式を見ると、速さ(v)が大きくなるとエネルギー(E)も
増えることがわかります。逆に、エネルギーを大きくすると、
速さが大きくなることも示しています。
つまり、速さとエネルギーは等価です。
(簡単に説明するための例なので、厳密な意味とは異なります＾＾；)

これと同じ考え方で、「Ｅ＝ｍｃ＾２」は質量(ｍ)を大きくすると
エネルギー(Ｅ)が大きくなること、また逆に、エネルギーを大きくすると
質量が大きくなることを示しています。

ご質問では「なぜ物質を光の速度に近づけると質量が大きくなるのか」
ということですが、この「物質を光の速度に近づける」ということは
「加速する」事です。つまり「エネルギーを与える」事ですね＾＾

つまり、加速するために与えたエネルギーは速さを増すのではなく、
質量を増やすのに使われるということです。

以上のことから、「なぜ物質を光の速度に近づけると質量が大きくなるのか」
という質問の答えは、

「物質を加速するのに使ったエネルギーが質量に変わったから」

というのが答えとなります。

回答No.4

e10go

No.2のe10goです。
すみません。回答の後半の説明に誤りがありました。

>>物質を光の速度に近づけると質量が大きくなると書いてあったのですが、
>厳密には間違いです。そのように観測されるだけで、質量そのものは増えません。

の後の数字を入れた回答は、数字が間違っていました。
実際に数字で示すのは、計算式が複雑で私の手には負えません。
詳しくは、この説明の後のURLを参照してください。(URLを下記に再掲載)
http://homepage3.nifty.com/gyakusou/sou1/situryou/situryo.html

間違った数字の回答で、申し訳ありませんでした。

回答No.3

shiara

ほかの方が回答されておりますように、光速度が一定であるというのは、この世界がそのようになっている、という観測結果であり、その理由については、今のところ説明はできないという状況です。その理由を考えることは、物理学の範疇を超えているのかもしれません。私の個人的見解ですが、光速度が一定なのは、この世界に時間の概念を与えるため、と考えております。時間の概念が意味を持つのは、運動があるからです。この世界に運動がなくなれば、時間の概念もなくなります。多くの場合、運動は相対的であり、ある人にとって動いている物でも、ほかの人にとっては止まっている、ということが起こります。もし光の速度も含めて、すべての運動が相対的であれば、ある人にとっては、すべての運動が止まっている、ということが起こります。そうすると、時間の概念が存在しなくなってしまう座標系がある、ということになります。すべての座標系が同等であるとするなら、時間の概念が存在しなくなってしまう座標系があっては困ります。そこで、光の速度だけは相対的ではなく、絶対的に一定になっているのではないか、と考えます。
　ところで、光だけが一定なのか、というと、むしろ逆で、本来はすべての物質の速度が光速度一定である、という考え方があります。多くの物質の速度を光速度より小さくしているものが静止質量です。ディラック方程式を分析すると、本来物質は光速度で動いている、という結果が得られます。しかし、前後に激しく振動しているため、光速度より遅く観測されます。我々が観測している粒子は、正エネルギー粒子と負エネルギー粒子の状態が混ざり合った状態です。正エネルギー粒子は正方向へ移動するのに、負エネルギー粒子は反対方向へ移動しようとします。これは、３歩進んで２歩さがる、という状態であって、本来は光速度で移動しているのに、結果として光速度より遅く観測される、ということです。正エネルギー状態と負エネルギー状態を混ぜ合わせているものが静止質量です。これがあるために、どんなに加速しても、後ろへ戻る成分（負エネルギー状態）があるため、光速度を超えられません。
　このような状況は、速度が速くなるにつれて加速しにくくなっていく、と観測されます。質量とは加速のされにくさであり、力を加速度で割ったものです。このため、速度が速くなるにしたがって、質量は大きくなるように観測されます。というより、観測がすべてですから、実際に質量が大きくなっていると言わざるをえません。

回答No.2

e10go

>光がその場所の状態にかかわらず常に一定の（同じ）速度で動くということですが、

「光の速度は一定」というのは、色んな実験から導き出された結果です。
また、これを前提とした理論がアインシュタインの「特殊相対性理論」です。

1881年に、エーテルの存在を確かめるための「マイケルソン・モーレーの実験」があります。
http://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%AC%E3%83%BC%E3%81%AE%E5%AE%9F%E9%A8%93
この実験や他の実験から、どんな測り方をしても「光の速度」が同じという不思議な結果がでています。
そこで、逆に現在では「光の速度は一定」と認めてます。
沢山の人たちが、これを理論的に証明しようと挑戦しましたが、未だ成功していません。
また、「光の速度一定」を元にアインシュタインの「特殊相対性理論」が生まれました。
特に有名なのは「E=MC^2」の式です。
なお、「特殊相対性理論」がほぼ正しいのは、実際の現象でも合っているし、今では科学の常識になっています。
これは、間接的に「光の速度一定」が正しい事が科学の常識という事になります。

余談ですが、カーナビとGPS衛星に使われる時計では、「特殊相対性理論」、「一般相対性理論」による誤差補正を行なっています。
http://www.gem.hi-ho.ne.jp/katsu-san/audio/relativity_practical.htm

>物質を光の速度に近づけると質量が大きくなると書いてあったのですが、

厳密には間違いです。そのように観測されるだけで、質量そのものは増えません。

仮に、10gと100gのボールが(どちらも同じ)光より少し遅い速度で壁にぶつかったとして、その後、10gのボールは10g、100gのボールは100gのままです。(同じボールの状態でいるかどうかは別として＾＾；)
違いは、100gのボールの方が10gのボールより10倍の衝撃力ということです。
(光の速度では衝撃力が無限大になって説明し辛いので、光より少し遅い速度としました)
もう一つの例えとして、(A)29gのボールが28万km/sの速度で壁にぶつかったとして、(B)28gのボールが29万km/sの速度で壁にぶつかったとして、(A),(B)どちらも衝撃力は同じですが、(B)の28gは28gのままで、29gになる訳ではありません。
http://homepage3.nifty.com/gyakusou/sou1/situryou/situryo.html

#なお、私は、科学に関しては素人に毛が生えた程度の知識しかありません。
#ですから、私の説明では納得できないかもしれませんが、ここまでの説明が私の限界です。