「力」の伝達速度ってありますか？

質問

今はもう４５歳ですが，高校生の時に教師に質問して「そんなこと考えるな」と言われた問題をさっき思い出したので，皆さんに質問です。
宇宙の最速は光ですね！では「力」の伝達する速度も有限なのでしょうか？
たとえば，紐(長さ１ｍ)でつながってる錘(1kg)をブンブン回すと，向心力で錘は円運動します。
では，いきなり紐を切ると錘はどうなるのでしょう？
１．ほんのちょっと円運動を続け，直線運動になる
２．瞬時に(タイムラグ０．０秒)で直線運動になる
これを太陽と地球に置き換えるとどうでしょう？
いきなり太陽がなくなると(現実にはありえないでしょうけど)地球は，上記の１．２．のどれ？
紐で伝わる力と，何もない引力だけと状況は変わるでしょうか？
「重力計」って存在するんでしたっけ？
あるなら，空に向けて重力変化を観測できるなら，何万光年さきの新星爆発もリアルタイムで観測できるんでしょうか？
とりとめのない質問なので，聞きたいことわかってもらえたいいのですが・・
回答よろしく

回答No.6

assamtea · ベストアンサー

こんにちは。

力の伝播速度は存在します。それは、ご質問の通り光速です。

例えばの話をしますと、
○１光年長さの紐に錘を付けて、宇宙から地球上に垂らして連絡する時に
　紐を離して、同時に錘が落ちたならそれは超光速通信ですよね。
○同じように、月と地球の間に金属の棒を渡して、月にスイッチをおいて、
　地球からこの棒を押したとして瞬時にスイッチが押せたらこれも超光速通信です。

これらの事が起こればアインシュタインの「相対性理論」は間違っていたと
言う事が出来ますが、実際にはこうした超光速通信は不可能だと考えられ
ています。
その理由は、物質を構成する原子の相互作用が相対論に従っているからです。

棒の例で言うと、金属棒が固体なのは、プラスの金属イオンとマイナスの自由電子
との間の電磁気的な相互作用によって、金属結晶が形作られているためです。
そして、リエナール・ヴィーヒェルトのポテンシャル（詳しくは物理学の本などを参考に
して下さい）によると、電荷が運動しているときのポテンシャルの変化は、一瞬のうちに
遠方まで伝えられるのではなく光速でしか伝播しないのです。

ですから、金属棒の端の原子層に力を加えて動かしても、電磁場の変化を介して
その影響が次の原子層に伝わるには光が伝わるのに必要な分だけタイムラグがあ
ることになります。それ以降の原子層でも同じように影響が遅れて伝播していくので、
超光速通信を実現することはできません。

以上から、

○紐の長さを光が到達する時間のタイムラグがあって直線運動になる。
○太陽が瞬時に消えても、光が到達する時間－すなわち地球上から太陽が無く
　なったのを観測した時に重力も無くなる。

相互作用の伝播速度が光速を越えないという特徴は、現在知られている全ての
理論で成り立っています。

補足

「相互作用の伝播速度が光速を越えない」って，そうなんですか！
少し残念な気がします が 現実なんだからしょうがないですね
でも「相互作用の伝播速度が光速を越えない」なら単純に見えない物体からの影響は受けないってこと？
ブラックホールって”光さえ脱出できない”なら重力も回りに影響あたえないのでは？
光は出てこれないけど重力は出てこれる？
時象の境界線の外側の重力が影響してる？

追加の回答お願いします

回答No.7

assamtea

こんばんは、＃６です。　追加の回答です。

私は電気の専門家なので、天文、物理は専門で無いので多少間違いがある
かもしれませんが・・・と言い訳して(^^;

伝播に関しては、古典物理学である、マクスウェルの方程式や
リエナール・ヴィーヒェルトのポテンシャルを理解すれば可能ですが、
ブラックホールなど絡んでくると相対性理論が絡んできます。

> でも「相互作用の伝播速度が光速を越えない」なら単純に見えない物体からの影響は受けないってこと？

極論すればそれで間違いでありません！！ですが、

> ブラックホールって”光さえ脱出できない”なら重力も回りに影響あたえないのでは？

と言う疑問が当然のように出てきますよね。
ここでは、ブラックホールと重力と言うもの理解が必要になります。
アインシュタインの一般相対論は難解な数学的理論ですが、重力を時空の歪みと
捉えることによって、重力作用の本質を明らかにするものだと言えます。

太陽の周りを惑星が周回するのは、太陽から重力が作用して進行方向が曲げられる
のではなく、太陽質量によって歪められた時空の中を惑星が進んでいくと結果的に
楕円軌道を描くことになるいう訳です。

また、ブラックホールに関して、1960年代から70年代初頭にかけてのゼルドヴィッチや
ホイーラー、サイアマらの研究の結果、観測できる物理量は、質量・電荷・角運動量の
３つしか無いことがわかりました。
ホイーラーは、これを「無毛定理(No Hair Theorem)」言っています 。

ブラックホールからは光子や重力子が飛び出すことがないにもかかわらず、電荷や
質量が測定できるのは、場に連続性があるからです。

ブラックホール周辺の電場は“事象の地平線”の彼方から光子が飛び出して生じて
いるのではなく、もともと存在していた電場が連続的に変化していくことによって
形成されたものであり、ブラックホールからは光すら放出されないという法則を破
ることはありません。

また、“事象の地平線”自体は特異点ではなく、場の量が連続的に変化しても何の
不都合もないのです。

ですから、

> 光は出てこれないけど重力は出てこれる？
> 時象の境界線の外側の重力が影響してる？

これら一連の回答は、

重力はブラックホールの質量によって歪んだ空間ーつまり「場」であり、
もともと存在していた場の量が連続的に変化したのもであるから伝わると
理解するのが正解だと思います。

重力場の伝播は、非線形方程式に従うので電磁場ほど簡単ではありませんが、
弱い重力場の極限では、発生源がない場合の波動解と、発生源によって作られる
遅延解に分けて考えることができます。
これは、文頭で書いた古典物理学の範疇で説明が可能です。

回答No.5

ranx

錘についてですが、私は１と２の間になると思います。
錘の進行方向に直角の方向に一定の力が働けば、力と錘の質量に応じた
円運動になるわけですよね。力がゼロならば直線運動になると。
紐を切った場合、錘を引く力は短時間でゼロになりますけれど、恐らく
ゼロ時間でゼロになるわけではないでしょう。その間、力の減り具合に
応じた曲率の運動を行い、最終的に曲率ゼロの運動に落ち着くと思います。
重力も光速で伝わるそうですから、新星爆発のリアルタイム観測は無理でしょう。

回答No.4

acacia7

錘については・・
紐がどれだけ重量をもっているかで決まるんじゃないですかね・・
錘に紐がついていかなければ基本的に２になるはずです。
切断後に「円運動」をするためには力がかかる必要があるのに、
無いわけですから。

紐が少しでもついていれば、その場合はちょっと複雑になるでしょう。
紐がつながっているときは、その紐に拘束された自転運動もしているわけですが・・
紐がくっついた自由な自転運動になるので、
若干円運動の接線より内側に飛んでいきそうです。

地球の運動の場合ですが・・
太陽の重量によりゆがんだ空間をころがる地球を想像してみてほしいのですが・・
（この太陽が突然なくなる・・っていうのは想定できませんが・）
かりになくなったとしても、空間のゆがみは光速以下の速度で伝わることになるでしょう。
重力の担い手である重力子も光速でしか移動できないと考えられてもいます。

もうちょっとありえるパターンでいけば、
電磁石の電場のかかった空間で回転運動する荷電粒子に対し、
電場が消えた場合どう運動するか・・でいけば、
これは電磁場を伝えるのが光子ですから、
光速なのはあたりまえといえばあたりまえです。

最後の重力変化の質問は存じ上げないところですが、
光速に束縛されるという考えからすればリアルタイムの観測は無理じゃないかと思います。

で・・そこでおわったらそれまでなのですが・・
ゲージ理論だかの研究者の論文で、
力の媒体であるゲージ粒子は放出する物体と吸収する物体がそろわなければ
放出されないのではないかという仮説が出ていたことがあります。

たとえば、光を放出する原子がこっちにあって、
それを吸収する原子もないと光の放出が発生しないという仮説です。
こまかいところはわすれちゃいましたが、その可能性はあるようで、
すると、光を吸収しない壁の方向にむかっては光を放出できない事になり、
光源と非吸収体をつかった、超光速通信の可能性が考えられるというものでした。

これは、もしかしたら重力子でも同じかもしれませんので、
超光速の観測はないとは言えないかもしれません。

回答No.3

nanashisan

ひもの場合
　→答え１
太陽と地球の場合
　→太陽の消滅の仕方による
　(物理的にあり得ない仮定に対しては、物理的な答えはありません。)
超新星爆発について
　→不可

回答No.2

bumin

重力の正体が重力波であるなら１だと思います
実際の観測でもいまの所光速は超えていないという見解のようです

＞紐で伝わる力と，何もない引力だけと状況は変わるでしょうか？
ベクトルが少々違いますね
紐の場合は遠心力と紐が引きとめる力、それと回転運動を起こしている（前者と）９０度位相の違う力
引力の場合は、重力と、それと９０度の位相を持つ力
になるのではないでしょうか？

回答No.1

1969X1

光速は超えないと思うので、１でしょうか。

参考URL：

http://www.tk2.nmt.ne.jp/~kinkan/kinkan/relativity_faq/faster_than_c/faster_than_c.html#8