光と時間の関係について

質問

物理学には全くの素人ですが、よく光の速さを超えるスピードで移動すると時間が遅くなるとか戻るとか言われます。素人考えですが、なぜ光を超えるとそのような現象が起きるのか、そもそも光と時間がどう関係しているのかが分かりません。
　光が時間の流さをコントロールしているのでしょうか。光以上の速さはないというのが定説ですが、それと関係kるのでしょうか。なんかピンとこないことばかりで恐縮ですが、素人にも分かる説明をいただけたら有難いです。
　よろしくお願いします。

回答No.2

hg3 · ベストアンサー

私自身も物理の素人ですから、専門的な難しい話は置いておき、その前段階の基本的なところを説明します。

＞光を超えるとそのような現象が起きるのか
違います。
光の速度を超えるから時間の流れが変わるのではありません。

＞光と時間がどう関係しているのかが分かりません。
光と時間が関係しているというより、光の速度は誰が見ても一定になるということです。

何故光の速度が一定なのかと言われても答えはありません。
アインシュタインは、光の速度が一定だと考えて、相対性理論を導き出しました。
そうやって導き出された相対性理論が、様々な現象とよく一致するということです。

その相対性理論を使って考えると、速く移動すればするほど時間の流れが遅くなり、光速で移動すると時間が止まると計算されるということです。
あなたのご質問の「光の速さを超えるスピードで移動すると時間が遅くなるとか戻るとか」と言うのはこのことです。

＞光以上の速さはないというのが定説
相対性理論ではそうなるということです。

光の速度が誰が見ても一定というところだけもう少し補足します。

Aさんが地面に立っていて、そのAさんの左から右へ秒速15万km（光速の半分）で飛ぶロケットがあったとします。そのロケットから進行方向つまり、左から右へ光を発射した場合、その光をAさんが観測するとは秒速30万kmで左から右へ移動します。15万km/秒+30万km/秒＝45万km/秒とはなりません。
一方、ロケットの中にいるBさんが、その光を観測すると、その光はロケットの進行方向に秒速30万kmで移動します。このことを時間の流れや空間が一定と考えると辻褄が合いません。
時間の流れや空間がAとBさんがで変わると考えないといけなくなります。

普段我々のイメージする世界は、時間の流れや空間は、誰が見ても、どこでも一定だと感じます。
しかし、実際はそうではないというのが、相対性理論の考え方です。

お礼

詳しい説明をいただき、ありがとうございます。
具体例を挙げての説明がわかりやすかったです。相対性理論を一度きちんと勉強してみようと思います。ありがとうございました。

回答No.5

gyakutennzizou

（Ａ物質）を、仮に、光の速さで、移動させても、その（Ａ物質）時間が、遅れる？　時計の針の動きが遅くなる？？などの現象は起きません。。

そもそも、時間とは、私が解明できているだけで、９種類以上も存在します。

。。。。

時間の正体とは、物質とエネルギーの、変化進行形の性質による、錯覚発生現象である。
時間の正体は、解明できただけでも、全部で、七種類以上も、存在します。
(1　)物質の移動時間
(2)　作業時間
(3)　地球取り決め時間
(4)　物質の誕生から、消滅迄の時間　（物質の変化進行形の性質による時間）
(5)　自分以外の宇宙の、発生から、消滅迄の時間
(6)　計測地点の違いによる、誤差時間
(7)　新発明の時間

。。。。。。。。。。。。。。。

新しい、(8)～(9)　の追加時間です。。
(8)　睡眠時間　＆　思考時間　
(9)　物理的停止時間。。

もっと、言うならば、本当は、時間とは、あっても、無い。。のです。。
。。

世の中、一般の言う時間とは？？　同時とは？？

私の新発見した、時間の正体。。
宇宙時間方程式では、時間の正体を数式で示す事が出来ます。
時間の正体の数式では、（時間Ｔ）＝（物質Ｍ±）±（エネルギーＥ）
つまり、（Ｔ）＝（Ｍ±）±（Ｅ）となります。
。。
解りやすく説明すると、時間とは、物質とエネルギーには、変化進行形の性質が有る。。のですが？？
その、変化進行形の性質による、変化の様子によって、錯覚発生する現象なのです。。

私の新発見の理論では、同時とは接点であり、距離があってはならない。のです。。

つまり、（Ａ物質Ｍ±）と（Ｂ物質Ｍ±）と（Ｃ物質Ｍ±）と距離が、例え、１メートルでも離れていれば、この世に、同一時間は存在しないのです。。

光は、物質の変化の様子を、観測する為に利用するだけであり、物質の移動速度と、物質の変化進行形の時間とは、何の関係も有りません。

つまり、物質を、どんなに速く移動させても、その物質の時間が遅れる？？　速くなる？等の現象は起きません。

つまり、タイムマシンで、過去や未来に行く？？等の思考は、つじつまの合わない、ナンセンスな思考なのです。。

詳しくは、宇宙時間方程式、　時間の正体、でネット検索するか？？

私の所に、遊びに来て下さい。。

では、今日は、この辺で。。

ご機嫌よう。。

逆転地蔵

。
。

回答No.4

ryumu

まず、「光速が一定である」とはどういうことか？というのがポイントだと思います。

これは様々な実験結果から、”どうやら発光体が動いていても、止まっていても、観測される光の速度は一定のようだ”ということから、立てられた仮説です（光速不変の原理）。

これが正しいとなると、どうなるのか？

高層ビルのエレベーターで最上階にいるとしましょう。
エレベーターの室内で、一方の壁から対面する壁に向かってボールを投げる実験をしたとします。
まず、最上階に停まったままボールを投げると、エレベーター室内で、弧を描いて壁にぶつかるか、床に落ちることでしょう（重力があるため）。

それでは、エレベーターのワイヤーが切れて、エレベーター自体が落下し始めたとします（以後、エレベーターは常に落下し続けているとします）。
大変な事態ですが、それはひとまず置いておいて、落下中に、先と同じようにボールを壁に向かって投げてみたらどうなるでしょうか？
落下中のエレベーター室内は、見かけ上、無重力状態となります。
従って、エレベーター室内では、投げられたボールは、等速直線運動で壁に向かってまっすぐ進みます（室内では弧を描かない）。

一方、このエレベーターがガラス張りで、地上からもボールの運動を観察していたとします。
この時、地上の観測者は、弧を描いて落下するボールが見えるでしょう（まあ、エレベータごと落ちているのですが）。

これは、エレベーターの中の観察者と地上からの観察者とでは、見える現象が異なることを示しています。
つまり、エレベーター内の観察者には、ボールは等速直線運動をしていると判断され、地上からは弧を描く落下運動（＝加速度運動）をしていると判断されます。
しかも、ボールの移動距離についても、エレベーター内では、壁から壁の短い距離（lとしましょう）の運動。
しかし、地上からは、落下している分、より長く移動しているように見えます（弧を描いていますから）。
地上から観察された、弧を描いたボールの移動距離をLとすると、必ずl<Lとなります（これも重要な結論です）。

さて、このボールを「光」に置き換えます。
先に述べた、「光速不変の原理」が正しいとすれば、どうなるのか？
これはつまり、エレベーター内で測定した光速と、地上から測定した光速が、一致しなければならない、ということです。
でも、エレベーター内での光の移動距離は、地上で観察される移動距離よりも短い（l<L）。
しかし今、光速度はどちらでも一緒と仮定した。

光速度をcとすると、エレベーター内で測定した移動時間をtとすれば、ct=l。
一方、地上で測定した移動時間をTとすると、cT=L
で、l<Lは絶対。
となると、ct<cT => t<T となるしかない。
つまり、エレベーター内と地上では、時間の流れが異なる!

もっと言えば、地上（重力の影響が強い）の方がゆっくりと時間が流れる、ということになります。

これは、「光速不変の原理」が正しいと仮定すると得られる結論なのですが、精度の良い時計を使った実験で、今のところ正しいという結果が出ています。

ですので、重力がどんどん強くなると、時間はどんどんゆっくり進むはずです。
では重力無限大だとどうなるのか？・・・と妄想すれば楽しいですが、人がその場にいれば潰されて死んじゃうでしょうね＾＾；

ちなみに、l<Lの件ですが、これは「重力で空間が曲げらている」という解釈にも繋がっています。

回答No.3

tetsumyi

光の速さを超えるスピードで移動すると時間が戻るというのは、単なる興味本位の空想です。
速度とは何かと言えば距離と時間の関係です。
このことと関係して、私たちが居る宇宙空間では距離と時間は光の速度を定数として変換できると言うのが相対性理論の数学的な表現です。
この結果、この宇宙では光の速度を超える速度は出てこないことになります。
つまり、１つの物理現象が他の場所に光の速度を超えて影響を与えることはできないし、もちろん物体が移動することはありえないことになります。
光はコントロールしているのではなく、宇宙の特性として光の速度とニュートリノの速度や重力の伝達速度も同じ定数になると言うことです。

近年、光の速度以上の観測結果が見つかったかも知れないということで大騒ぎになりましたが、結果的に測定のミスでした。
やはり相対性理論に間違いは見つからないと言う結果となりました。
正確に知りたい場合は相対性理論の専門書を読むことが必要ですが、アインシュタイン自身も数学者の助けを刈りて初めて理解できた非ユークリッド幾何学を学び数学的に表わす必要があります。

お礼

詳しい説明をしていただき、ありがとうございます。
正確に理解するには相対性理論の本を読むのが良さそうですね。
自分には難しいかもしれませんが、トライしてみようと思います。
ありがとうございました。

回答No.1

有木 巨智麿（@kothimaro）

よく「高速で移動すると時間の経過が遅れる。そして、光速を超えて移動すると時間は過去に向かって流れるようになる。」と言う表現を耳にします。しかし、今まで一度も、「時間の遅れる仕組み」が明らかにされたことはありません。

また、時間は直感であり、他の何をもってしても時間を構成することが出来ません。つまり、時間には構造がありません。ですから、「変化する仕組み」を考えることは出来ないのです。ただ、「変化している」としか言えません。

では、本当に時間の経過自体が変化しているのでしょうか。それとも、時計が動き難くなったので、時を刻むスピードが遅くなっただけなのでしょうか。

確かに、時計が高速で移動し、または時計に強い重力が掛かると、時の刻み方が遅れます。現実に、高速で高所を回るGPS衛星搭載の時計は、高速移動により時の刻み方がゆっくりとなる面と、重力の弱い高所を回っている為に時の刻み方が速くなる面があります。

軌道上では高速移動するので、地上の時計に比べて100億分の2.55秒ゆっくりと時を刻みます。また、重力が弱いので、軌道上では地上の時計に比べて100億分の7秒速く時を刻みます。従って、差引すると、100億分の4.45秒速く時を刻むことになるので、その分ゆっくりと時を刻む様に調整されています。

ただ、この事実から、高速で移動し又は強い重力場では、時間の経過が遅くなると結論することが出来るでしょうか。前述した様に、時計の内部構造が動き難くなったので、時の刻み方がゆっくりとなっただけかも知れません。例えば、ぜんまいが緩んだ時計を見て、この時計に流れる時間の経過は遅くなったと言えるでしょうか。このことを、以下で検証して見ます。

Vkm/秒で移動する物質は、静止時に比べて√(1－ｖ^2/ｃ^2)倍しか動けなくなります。
下図を見てください。毎秒vキロで移動する物質を上下左右方向へ動かします。最大で√(c^2－ｖ^2)km/秒までしか動かすことが出来ません。これで、この物質の速度は、√(c^2－v^2+v^2)=毎秒cキロとなります。これ以上動くと光速を超えてしまいます。静止時には毎秒cキロまで動かすことが出来ました。ですから、毎秒vキロで移動する慣性系では、静止時に比べて√(c^2－ｖ^2)km/秒÷Ckm/秒=√(1－ｖ^2/ｃ^2)倍しか動けないことが分かります。

毎秒vキロで移動する時計の内部構造は、静止時に比べて√(1－ｖ^2/ｃ^2)倍しか動けないので、1/√(1－ｖ^2/ｃ^2)秒に1秒を進む様になります。
この様に、高速で移動する時計の遅れは、t’=t*√(1－ｖ^2/ｃ^2)と表されます。
しかし、実際に時の経過がゆっくりとなった訳ではありません。物質変化のスピードが遅くなっただけです。

高速で移動すると、私の肉体や持っているあらゆる時計は、ゆっくりと変化するようになります。私は、ゆっくりと思考し動き年を取る様になります。時計もゆっくりと時を刻みます。私が１秒と考える時間は、例えば実際には2秒となります。私が、静止している人や時計を見ると、そこでは時間は2倍の速さで経過している様に見えます。しかし、実際に時間の経過が変化した訳ではなく、物質の反応速度の方が変化したのです。この様に考えると、物質にはその移動速度に応じた時間の経過のあることが良く分かります。

従って、光速に近づくに従って、時計はゆっくりと時を刻む様になります。光速に達すると時を刻むのを止めます。しかし、時が逆に流れる様になることはありません。同様の現象は、時計に強い重力が掛かり、時計を構成する粒子が動き難くなった時にも起こります。

質問者さん、この様に、時間の経過自体は変化しないので、過去へ遡るタイムマシンを作ることは出来ません。

また、何ものも光速を越えて伝わる事は出来ません。現在の物理学では、「超ひも理論」が最も有力視されています。
宇宙開闢の瞬間、宇宙は非常にエネルギーの高い状態にあり、個々の「超ひも」は自由に空間を動き回っていました。しかし、宇宙のエネルギーが、100GeVになった時、「超ひも」は相転移を起こし、網の状態に繋がって固定されたと考えています。相転移とは、水蒸気が冷えて氷となる様な現象を言います。水蒸気として自由に動き回っていた水の分子は、冷えて相転移を起こし氷の分子として固定され、もはや自由には動き回ることが出来なくなります。「超ひも」も宇宙のエネルギーが低下し、相転移を起こすと、固定され網状に繋がります。

そして、その「超ひもの網」の上を、物質や光及び重力・電磁力・強い力・弱い力の4つの力は、振動として伝わると考えています。つまり、物質が移動して見える現象は、実は超ひもの物質としての振動が、次々と隣の超ひもに伝わる現象であると説明されます。そして、「超ひも」の振動自体が光速で伝わるので、何ものも光速以上で伝わることは出来ないのです。

詳細は
http://www42.tok2.com/home/catbird/
を参照下さい。

お礼

大変に詳しい説明をしていただき、ありがとうございました。
物理学には多少の知識しかない自分にとっては？の部分も多々ありましたが、参考になりました。仮に光を超える速度で移動しても時間が戻ることはないのが良くわかりました。
ありがとうございました。