見る人がどのような状態にあっても光の速さは変わらない？？

質問

こんにちは。
高校生です。。

物理の授業で相対速度を習いましたが
光の速さに相対速度の公式を使えないと聞きました。
これはいったいどうしてなんですか？？
あまり物理は詳しくないのですが不思議です。
どなたか知っていらっしゃる方
教えていただいたら幸いです（●＾o＾●）

回答No.8

maccha_neko · ベストアンサー

＞光の速さに相対速度の公式を使えないと聞きました。
＞これはいったいどうしてなんですか？？

まぁ，皆さんおっしゃるとおりですけども，われわれが通常生活している範囲で体験する程度の速度なら基本的には相対速度の公式で計算してしまっても問題ないんです．相対論で言われるような影響はごく小さいものに過ぎなくて誤差に埋もれてしまう程度のものでしかないですから．
ところが，速度が光速に近づくにつれて相対論的な効果の影響が大きく出てきてしまってだんだん無視できなくなってくるわけですね．

このようにごく小さい範囲では近似的な式で十分だったものが規模が大きくなってくるとだんだん他の影響が無視できなくなってくるというのは身近なところでも良く目にしますよね．
たとえば家の柱を立てるくらいなら地球が丸いなんていうことは気にすることはなくて，柱を垂直に立てれば両者は平行と見なせますけど，瀬戸大橋くらいになると数cm単位の影響が出るなんていうのもありますよね？数cmくらいならまぁ誤差の範囲でいいじゃない？と思うかもしれませんが，規模がもっともっと大きくなって，たとえば静止軌道に達するような高さまで伸びる軌道エレベータとかいったら近似じゃ話にならないほどのズレになってしまいますよね？そんな感じだと思えば良いかと思います．

ちなみに，ごく小さな相対論的な効果も問題とされたようなものとしては身近なところではGPSが挙げられます．相対論を前提にした補正をかけないと正しい結果が得られないということです．
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%B0%E3%83%AD%E3%83%BC%E3%83%90%E3%83%AB%E3%83%BB%E3%83%9D%E3%82%B8%E3%82%B7%E3%83%A7%E3%83%8B%E3%83%B3%E3%82%B0%E3%83%BB%E3%82%B7%E3%82%B9%E3%83%86%E3%83%A0

回答No.7

noname#175206

基本的には「きちんと知りたければ、特殊相対性理論を、その歴史を含めて勉強してください」と答えるしかありません。しかし、少し経緯を説明しておきましょう。
　電磁気学ではマクスウェルの方程式というものが基本となっているのですが、これには光速度が基本的な役割を果たしています。光は粒子か波か、紆余曲折はありましたが、相対論登場直前には波だとされていました。そこで音に対する空気と同じように、波が伝わる媒質があるはずだということなり、未検出でしたが「エーテル」というものがそれだとされていました。
　すると風があるときの音速が変化するように、エーテルが流れていれば光速度は変化するはず、ならマクスウェルの方程式も書き直す必要があるのか、という疑問が生じます。ヘルツという学者は、その場合にマクスウェルの方程式に代わって成立するヘルツの方程式を導き出しました。マクスウェルかヘルツか、ここに歴史上名高い「マイケルソンとモーリーの実験」が行われました。この実験では、地球の公転速度（光速度の1%）を用いて「エーテルの風」に流されて変化する光速度を検出するはずでした。しかし、どうやっても光速度は同じという結果しか得られませんでした。他の研究者も続々と同様の実験を行いましたが同じ結果でした。
　まず「エーテルは地表に張り付いているのはないか」という見解は棄却されました。説明は省きますが、夜に星の見える角度が変わる「光行差」が説明できないからです。
　そこでオランダのローレンツ（同時期にイギリスのフィッツジェラルド）が、「エーテル中を移動すると長さが縮む」という説を発表しました。今までの実験結果を説明できるものでした。マクスウェルの方程式も保証されます。これで本当にうまく行くかどうか検証が行われた結果、説明できない実験結果が繰り返し得られ、やはり没になりました。
　そして最後に残ったのが、「あらゆる慣性系から見て光速度は同じ」という仮説を持つアインシュタインの特殊相対性理論でした。この説に反するような実験結果は決して得られませんでした。むしろ補強される一方でした。ここに「特殊相対性理論は正しい」という判定が下されました。
　もうこの理論では速度を単純な足し算で行うガリレイ変換は使えません。代わって、先のローレンツが式だけは導いていたローレンツ変換が使われることになります。速度はもはや単純に足し算できません。これによる相対速度の合成の公式によれば、合成速度は単純な足し算より遅くなります。光速度以下の速度をいくら合成しても光速度を超えません。極端な場合として光速度を考えると、光速度に対しどんな相対速度を合成しても光速度になるということが導かれます。もちろん有り余るほどの傍証があります。
　ただ、秒速30万kmという光速度に比べうる速度でないと、その効果ははっきりせず、通常はニュートン以来のガリレイ変換でまかなえます。

回答No.6

wasteland

光速不変の原理というのがある為です。
これはどの慣性系(ある速度で動いている空間全体)でも光速が
一定であるという原理です。相対速度はこの原理が発見される前
の古典力学の考え方です。

物理学(力学)では力が加わらないと等速直線運動をするという原理
があります。
ここで陳腐になりますが、分かり易く書くと静止しているAさんと
ある速度で等速直線運動しているBさんがいます。ですがBさんから
みればAさんはある速度で等速直線運動している訳です。つまり、
AさんもBさんも条件が同じなわけです。ここでAさんとBさんが共に
電磁気学の実験をして共にmaxwell方程式という実験に基づいた方程式
を作ります。この方程式から光速が約30万km/sである事が導けます。
つまり、どの速度の人でも光速は約30万km/sと一定だという原理です。

ちなみにアインシュタインが相対論を考えた時、本人もどの様に考え
てこの結論に至ったかはあまり覚えがなかったそうなので、上記の
考えもあくまで光速不変の考えの一例です。

回答No.5

noname#160321

>これはいったいどうしてなんですか？？
これは「定理」です。まだ「公理」までは行きません。
十九世紀末まで進んできた物理学に根本的矛盾が生じたので、それを解決するためにＡ.アインシュタイン先生が「解決策として」導入したのです。
なお一定なのは媒体が同じであること、加速度系・重力系の外に光も観察者も居ること、が必要です。

回答No.4

tetsumyi

「光の速さは変わらない」のは不思議ですがどんな方法で測定しても変わらないので事実として受け入れただけです。
地球の公転から星の光は夏と冬で速度が変わって測定できるはずだとして実験が繰り返されましたがどうしても同じ結果が出ました。
多くの物理学者が考えられる理由を想定し計算しましたがあまりにも不自然で納得できるものではありませんでした。

そこで提出されたのが特殊相対性理論です。
光の速さは変わらないような空間と時間の関数として物理法則体系を作り上げて見事な理論が完成しました。
この理論に従って導かれた結果は光が重力で曲がることや、光に近い速さで動く素粒子の寿命が延びること、質量がエネルギーに変わると言う核分裂までも説明できるものであったために証明された理論として認められるようになったと言うわけです。

回答No.3

雪中庵（@psytex）

概論的には、前の方の指摘の通りです。
相対論的に光速には到達できないはずが、静止質量０である
がゆえに光速で運動でき、したがって光速でしか運動できない
のが光子なのです。

もっと本質的に問うなら、難しくなります。
量子（光子）相互作用は、原理的（経路積分など）において、
瞬間作用とされます。
階層現象性を表面的に捉えることで「静止」している
（＝無の不確定性無限の潜在としての）自我仮説性の方が、
光速で移動（プランク定数の収束の時系列化）する事で、
無の闇は相対的な光の風になります（光とは闇なのです）。
四次元時空を記述する式において時間項にはC(光速)が
掛けられています=時間は光速で過ぎる。
自我仮説の相補としての、時空仮説に対する無の射影なのです。

相対性理論の四次元時空の式において、時間項はマイナスに
なっており、そのために空間軸と時間軸の等距離点に、
“ゼロの面”ができます。それが「ライトコーン」、即ち
光子の形成する面であり、光速以下の領域（未来）と超光速
の領域（過去）を分ける界面原点なのです。
そして超光速においてエネルギーは虚数化し、相互作用＝
二乗において負＝過去（時間的反転）と等価になります。
その、それぞれの時点から過去と未来に対発生させている自我
仮説性を時系列的に捉える（他人を自我化する精神病の一種）
ことこそが、時間性の本質（虚構軸）なのです。

認識体による大ざっぱな認識＝階層現象表面的定性化における
非光速性に基づいて派生する時空仮説に対する、無の射影が量子なのです。
換言すれば、光とは（自我仮説に対して）相対化された“無”であり、
ゆえに常に光速（自我仮説性との相対運動）になるのです。

回答No.2

juyjuy

どの状態から見ても光速は変わらないという前提でアインシュタインやローレンツなどが造ったのが相対性理論です・・特殊と一般がありますが・・光速については同じことです。

その代わり時間が延びたり縮んだり、長さが伸びたり縮んだりします。

光速の恒常性はその後色々な実験で１０桁以上の精度で確かめられています。この実験結果が２０桁あるいは３０ケタでも明らかに違うという結果が出れば、今ある多くの宇宙論の根底が崩れます。

最近は実験結果（宇宙の96％が見えない物質とエネルギーからなると相対性理論が正しい限り宇宙はどんどん膨張して何もなくなってしまうという説が有力になっています。これでは宇宙の将来があまりにもさびしいので、私個人としては相対性原理の変更が望まれるのですが・・。

相対性原理の改定は色々な学者が研究しているのですが、「この式があまりにも美しいので変えられないのだ」とさる著名な宇宙論の学者が私の質問に回答してくれたことがありました。

回答No.1

x1va

特殊相対性理論ですね。以下をどうぞ。

中学生にもわかる特殊相対性理論
http://yujiwatanabe.hp.infoseek.co.jp/s-relativity.htm