光速度不変の意味

質問

光速度不変の意味

最近またアインシュタインに関する本を読んで、しばらくぶりに相対性理論の事を考えてみたのですが、光速度不変というのは理論というより測定の結果から出てきたものだったと思います。光の速度が、光源と観測者の関係がどうあろうと遅くも速くもならずに一定であるということ自体は、物理学的にどういう意味があるのでしょうか？それは光というものを理解するのに何か具体的なヒントを与えるものなのでしょうか？
光速近くで運動する物体の時間が遅くなるとか、その物体を外から観測したときに長さが短くなるといったことと、光速が不変であるということが、頭の中でどうもしっくりと結びつきません。

回答No.2

tadys · ベストアンサー

光速度が普遍であるというのは、アインシュタインよりも、マイケルソン／モーリー
よりも前に言われていた事ですよ。

その理論的根拠は「マクスウェルの電磁方程式」にあります。
マクスウェルの方程式から電気と磁気が絡み合って波として進む解が得られます。
その波の速度は当時知られていた光の速さと一致したのでマクスウェルは「光の電磁波説」を唱えます。
この波は光源の速さによらず速度が一定だったので種々の論争が沸き起こります。
本当に一定なのか実験で確かめようとしたのがマイケルソンとモーリーです。
光速度が一定だとするとニュートン力学の結論とは矛盾します。
理論的に検討したのがローレンツで、彼はローレンツ変換の式を見つけます。
しかし、この式が何を意味するのかは十分な説明が出来ませんでした。

そこに出てきたのがアインシュタインです。
光速度が一定であるのは理論的にも実験的にも正しそうである。
ニュートン力学が矛盾するのはニュートン力学のほうに問題がある。
そこで、光速度が一定である事を原理として理論を考え直してみよう。
として出てきたのが「アインシュタインの相対性理論」です。
なお、アインシュタインの論文のタイトルは「運動する物体の電気力学について」というものです。

相対性理論が登場しても電磁気理論は修正が必要ありませんでしたが
ニュートン力学は修正が必要だったのです。

相対性理論をより深く理解するためには電磁気の理論の勉強が必要です。

お礼

ありがとうございます。
電磁気の事がよくわからないといけないんですね。
前にThe Complete Idiot's Guide to Understanding Einsteinという本を読んだんですが、この光速度不変の話のところは、説明がなんだかはぐらかされたような感じでよくわかりませんでした（idiot以下ってことでしょうか）。

回答No.10

z2718282001

アインシュタインの思考をたどる　時空の哲学入門　ミネルヴァ書房　ｐ９　’そして、それらの測定（量を測る）のためには、単位の長さや単位となる時間間隔など基準をあらかじめ決めておかなければどうにもならないのである（違うと思うなら、基準なしで距離や時間の測定ができるかどうかやってみていただきたい）。’　上記をふまえて、運動を書き下すには位置と時間が必要かつ十分です。物の長さを測るには同時刻の位置が二つ要ります。そのためには、時刻合わせができている時計が二つ要ります。時計合わせをおこなうために光速度不変の原理が必要だったのです。なぜ必要だったのか？はこの本　ｐ１１　12　１３をお読みください。

回答No.9

z2718282001

東京大学出版会　アインシュタインレクチャーズ＠駒場　ｐ２１　に、つまり時間は絶対に定義せられるものではなく、時間と信号速度との間に離すことの出来ない関係のあると云ふことがらです、と書かれています。光を使えばちゃんと時間というものを計ることができるのです。こんなに便利な代物はないと思います。

お礼

時間というのもよくわからないものですよね（少なくとも私には）。
Palle Yourgrauという人の書いた「A World Without Time」という本を読んだのですが、なんで、Kurt Gödelは相対性理論の考察から時間は存在しないと考えたかよく分かりませんでした。

回答No.8

雪中庵（@psytex）

#4の者です。

＞科学の法則は日常の言葉で語った時に初めてその意味が
＞明確になるというような記述がありました。

それは、「数式ではなく実体性を表現する言葉に展開
されてこそ意味がある」ということです。
もちろんそれが、日常使っている概念（やさしい言葉）
で記述できれば良いのですが、日常的な言葉は、日常的な
現象を表現するためのもので、たとえば僕の文脈の中で
「相補的不確定性」と言えば不確定性原理のそれを指しますが、
それを「お互いに補い合うあいまいさ」と言い換えれば、
それは日本語としては正しい「やさしく言い換える」こと
ですが、日常生活の不確かさは、不確定性原理によるよりも
情報不足や定義の不完全さによるものが混在しており、
言葉として分かりやすくても、本質的には分かりにくく
なるのです。

お礼

私も同感です。確かに、日常の言葉での表現には限界があると思います。医学・生物学の場合はそんなに困難ではないと思いますが、物理学や数学の世界は困難なことの方が多いですよね。ちゃんと勉強しないで結論だけ理解しようとするのは無理ですよね。

回答No.7

z2718282001

質問の意味が光速度不変が成立する世界とはどのようなものなのか？というのであれば。
ガラスの部屋のちょうど真ん中に光源があります。それを点灯させて光が壁に届く様子を外から観察します。
部屋は動いています。光が壁に届く間に部屋は動きます。一方の壁は光から逃れようとします。
反対の壁は光にちかずきます。光の速度は光源の動きに無関係ですから、光から逃れようとする壁が光にちかずこうとする壁よりも遅く光が届くはずです。
この二つの出来事は同時ではありません。部屋の内の人は外の人が見た二つの出来事を同時に起こったと、認めます。
ところで、長さは同時刻の二点間の距離です。同じ出来事を見ているのに、内と外では同時であったり、同時でなかったりするのです。このことからでも、見る人によって、長さが違ってくることが理解できると思います。
こんなことぐらい百も承知だ，とおっしゃるなら、何が知りたいのか、伺いたいです。

お礼

ありがとうございます。
なんという本だったか忘れてしまったのですが、一般向けの科学書を読んでいたときに、科学の法則というものは日常の言葉で語った時に初めてその意味が明確になるというような記述がありました。それで、光速度不変についても、日常の言語で表現された解釈があるのかと思いましたので物理学の方々に質問しました。

回答No.6

tetsumyi

光の速度が一定と言うことは物理学の基本的な部分を書き変えるものです。
日常の現象ではニュートン力学で空間は３次元で計算できることになりますが、光速度が一定と言う物理法則は空間を３次元時空と理解しなければならなくなりましたから通常の経験的な知識から理解し難いのは当然です。
つまり長さは時間の函数として表さなければ正しい物理計算ができないことになります。
光速度一定は光を理解するヒントではなくて空間を理解する基本的な部分なのです。

例えば速度は長さと時間の函数で、運動エネルギーは速度と質量から計算できます。
しかし観測者によって、このエネルギーさえ保存されない、つまり観測者によってエネルギーが質量に変わってしまう結果となり有名なE=mC^2が導かれました。
核融合、核分裂の膨大なエネルギーの可能性が明らかになったのです。

お礼

ありがとうございます。
光速度不変は空間に関わっているのでしたか。私は基礎知識が不足しているようです。

回答No.5

ORUKA1951

＞光の速度が、・・・【中略】・・・一定であるということ自体は、物理学的にどういう意味があるのでしょうか？

　一言でいえば、すべての物理現象は相対的であるということ。

　相対論自体は新しいわけではなく、ガリレオの相対性原理( http://www008.upp.so-net.ne.jp/takemoto/soutairon.html )があります。
　動いている電車の中で、ものを落とすと足元に落ちる。というやつ。

　光の速度を測定するといつも同じ・・太陽の周りを早いスピードで公転し、自らも自転している地球の上で、どの方向についても光の速度は同じ。
　アインシュタインは、光の速度も相対的なもので、座標系がどのように運動していてもその座標系では同じ速度でなきゃおかしい・・と気がついた。
　もしそうだとすると、太陽のそばを通過する光はその重力によって曲がるという結論が出てくるはずだと予測できた。そして観察したらその通りだった。

お礼

ありがとうございます。
地球の上で、どの方向についても光の速度は同じことと、太陽のそばを通過する光はその重力によって曲がることはどう結びつくのでしょうか？（多分私は何も分かっていない）

回答No.4

雪中庵（@psytex）

全ての素粒子の根源が「超弦＝量子性＝光速」に基づく以上、「光速が不変」も何も、この世界には、光速しか存在しないのです。

量子（光子）相互作用は、原理的には、瞬間作用とされます。
「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方程式において、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く時空仮説に対する、無の射影が量子＝エネルギーなのです。
「何かあるんじゃないの？」という自我仮説を、「もし自己が存在するならば」という相補的な時空仮説において、「ホントは無いんだけどね」という、補完的に無に還元する。

お礼

ありがとうございます。
でも、率直に言ってまったくわかりません。
なんという本だったか忘れてしまったのですが、一般向けの科学書を読んでいたときに、科学の法則というものは日常の言葉で語った時に初めてその意味が明確になるというような記述がありました。それで、光速度不変についても、日常の言語で表現された解釈があるのかと思いましたので物理学の方々に質問しました。

回答No.3

z2718282001

岩波新書　物理学はいかに創られたか　下巻　アインシュタイン　インフェルト　著　石原　純　訳　ｐ３７、　３８　をみてください。　同時の相対性のことがのっていますよ。
もしかしたら、ものの長さが短くなることも分かるかもしれませんよ。
わからなかったらまた、質問してください。

お礼

ありがとうございます。
前にThe Complete Idiot's Guide to Understanding Einsteinという本を読んだんですが、この光速度不変の話のところは、説明がなんだかはぐらかされたような感じでよくわかりませんでした（idiot以下ってことでしょうか）。

回答No.1

noname#160321

>光速度不変というのは理論というより測定の結果から出てきたものだった
マイケルソン-モーレーの実験からと考える「ことも」出来ます。
>物理学的にどういう意味がある
何の意味もありません。いわば公理です。世界はその様に出来ている。というだけ。
なお、光速度不変は「慣性系」における観測者間のみの事象であることに注意。
「特殊相対論の限界」。
加速度系(重力もまた加速度です)においては成り立ちません。

お礼

ありがとうございます。
なんという本だったか忘れてしまったのですが、一般向けの科学書を読んでいたときに、科学の法則というものは日常の言葉で語った時に初めてその意味が明確になるというような記述がありました。それで、光速度不変についても、日常の言語で表現された解釈があるのかと思いましたので物理学の方々に質問しました。
慣性系でしか成り立たないんですね。全く知りませんでした。