アインシュタイン自身による特殊相対性理論の思考実験の間違い Eins3回

2022年7月25日

アインシュタイン 光速 光速の不変性 思考実験 時間の遅れ 特殊相対性理論

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アルバート・アインシュタインの電子ブックを読みました。特殊相対性理論が生まれる論理展開が書いてあります。 

読んで分った事は、アインシュタインの論理展開に大きな間違いがありました。

今回の記事はアインシュタインの論理展開の間違いを明らかにします。そして特殊相対性理論は間違いだと、とんでもないことをいいます。 

そしてアインシュタインの思考実験から生み出された特殊相対性理論で言う移動体の速度が速まると時間の流れが違ってくる。そんな事はないと言います

アインシュタイン自身による特殊、一般相対性理論の書籍

アルバート・アインシュタインは特殊および一般相対性理論を自身の言葉で解説しています。 その書籍があります。 1916年12月の講義形式の本です。*1)

その解説はプロジェクト・グーテンベルクの電子ブックとして広く公開されています。誰でも読めます。

グーテンベルクの電子ブックを読むとアルバート・アインシュタインがどのような考えを進めて(論理展開)をして特殊相対性理論に到達したか分かります。


アルバート・アインシュタイン自身による特殊および一般相対性理論の解説
Fig.1  アルバート・アインシュタイン自身による特殊および一般相対性理論の解説
プロジェクト・グーテンベルクの電子ブックから

今回の記事が生まれた背景

私の思考実験ではどう考えても時間は不変ででした。 そして光速は慣性系の影響を受けました。

私の思考実験では結果が明白で、その思考実験を一目見ただけで私と同じ結論になるとはずです。

下記の記事を読んで下さい。

逆にどうしてアインシュタインが違う結論に至ったか理由が分からず悩みました。
それを調べていったら今回の記事になりました。


ニュートンはリンゴ、アインシュタインは小石

ニュートンは「リンゴが木から落ちる」ところを見て、疑問や不思議を感じて万有引力に関する発想を得た。 皆が普段から目にする当たり前の自然現象で、だれも疑問を感じなかった事に着目しました。

アインシュタインは「列車から小石を落ちる」ところを想像して特殊相対性理論の発想を得た。

走る列車の窓から手を出して、手にある小石を落とします。ニュートンの万有引力の自然現象の観測になります。

電車からの視点では小石は真っすぐ垂直に落下します。 しかし列車の外の堤防上から小石の落下を見ると、小石は放物線を描いて落下しているように見えます。

同じ現象で在っても見る場所、即ち座標系が違うと違う自然現象として見える。 落ちた小石という現象は絶対的な物でなく、相対的な見方がある。

ニュートンもアインシュタインも、どちらも新しい革新的アイディアを生む為の正統派的な思考と思えます。

時間も座標系によって違って見えるはずだ

その考えを拡張して、絶対的で揺るぎのないと言われている時間の扱いも同じように考えことができるのではとアインシュタインは考えました。

相対的に見ると時間は違って見える。 別の言葉でいうと時間は視点が違うと、或いは数学的に異なる座標系から見ると違って見える。 

その出発点は、既に述べたように「同じ手から落ちた小石でも、列車と堤防では違って見える」です。

これが特殊相対性理論の時間に対する考えの出発点で、アインシュタインの独特の発想の原点になります。

着眼点と発想は素晴らしいです。 

特殊相対性理論を生みだした論理展開のポイント

アルバート・アインシュタインの特殊相対性理論に至る論理展開です。

1)「列車から小石を落ちる」で相対性の発想を得る    
       光速を基準にして相対的な時間を考える            

2)ド・ジッターの二重衛星実験から光速の一定性をについて *3),4),5),6),7)
光速が慣性系の影響を受けない普遍的なもととして特殊相対性理論の根底を成す。

3)2箇所の雷の同時発生を観測する汽車と堤防モデル
アインシュタイン自身による思考実験モデル

4) ローレンツ変換
速度Vで移動する物体の座標を観測する。その時は速度vを光速との割合を加味した座標として見る。*10) 

5) フィゾーの実験
動く水の中を光が伝わる速度を測る実験.
媒体の運動が光の速度に与える影響を測定した。
フィゾーの実験結果は特殊相対論の速度の加法則に対応する。 *9),10)

アインシュタインの間違いのリスト

上の節でアインシュタインの論理展開を説明しました。 

上記3)アインシュタインの思考実験の考察 

アインシュタインの論理展開に間違いを見つけました。
特殊相対性理論の根底をなす論理展開が間違っています。

その間違いから導びだされた結論である特殊相対性理論は間違っています。
今となれば意味がありません。 

上記2)のド・ジッターの二重衛星実験

同時に上記2)のド・ジッターの二重衛星実験の結果の間違いがありました。
ド・ジッターの考察の間違いです。

これはアインシュタインに責任はありません。 
光速が慣性系に影響されないというのは、100年前の当時の支配的な考えでした。
そして現在においても、物理界と天文学界で真実として考えられています。

それは別のブログ記事で発表します。

上記1)の出発点も残念ながら違っていました 

更に上記1)の出発点も残念ながら違っていました。 
発想としてよかったですが、本来見るべきものを見ずに、想像力で違う物が見えたようです。

本来見えたのは、静止系からの視点で、慣性系の影響されて落下する物体の飛行です。
慣性系に影響された現象が正に見えた訳です。


アインシュタインの思考実験

Fig.2はアインシュタインが使った時間の相対性の思考実験です。雷と堤防沿いを走る車のモデルです。

条件

思考実験の条件は、車は速度vで堤防(Enbankment) に沿って平行に走行しています。 
車は十分の長さです。 

Mは堤防上のAとBの中点です。 
M’は車上のAとBの中点です。車と堤防が横並びになった時です。 

AとBの上空で同時刻に雷がピカと光ります。
 
停止系の堤防上の中点のMにはAとBの光が同時に到着します。
もし車上が停止していたらM’にもAとBの光が同時に到着します。

しかし車は速度Vで平行移動しています、列車上の中点M’はBに近づくように進行しています。 それでM’にはBから届く光はAからの光よりも早く届きます。


アインシュタインの時間の相対性の思考実験, 雷と汽車のモデル

Fig.2 アインシュタインの時間の相対性の思考実験, 雷と汽車のモデル
プロジェクト・グーテンベルクの電子ブックから抜粋


アインシュタインの考察

A点とB点の上空で同時刻に雷がピカと光ります。従来は時間は不変でどの座標系でも変わらないと考えられていた。 

しかしアインシュタインは車を基準で考えると、雷Bの光が早く発生した結論づけた。

それは時間は相対的なもので変わりるという思考実験上の事実を得た。 
それで移動体の速度によって時間は変化すると結論づけた。

特殊相対性理論で言う 「速度が速くなると時間は遅くなる」 です。

アインシュタインの本からの引用は

時間の記述には絶対的な意味がある、つまり、基準体の運動状態とは無関係であると常に暗黙のうちに想定されていました。しかし、この仮定は同時性の最も自然な定義と両立しないことがわかりました。この仮定を破棄すると、真空中の光の伝播の法則と相対性原理との間の矛盾がなくなります。

アインシュタインの思考実験の考察の間違い

アインシュタインの考察

確かに進行する列車上の中点M’にはAの雷の光よりもBの雷の光は早く到着します。

それを見てアインシュタインは同一慣性系内(列車)内の相対性に着目して、AとBの雷の到達時間の差分時間を求めました。 

その差分時間が在る事実と静止系(堤防上)の差分時間がゼロを比較して移動体の時間は変化するものであると考察しました。移動体の時間は静止系と違う時間経過を示す。

これは同一慣性系内で相対比較として上で、更に静止系との相対比較をしています。 

本当に得られた事実

本当に得られた思考実験の結果は、
列車上の中点M’にはAの雷の光は遅く届き、Bの雷の光は早く届いた。 

理由は列車はAからは遠ざかる方向に、Bには近づいている方向に移動中です。
それで移動した距離に応じて光の到達の所要時間が違っただけです。

たったそれだけの実験の結果です。

普遍性と正当性

アインシュタインの移動する物体上の時間が変わる事の検証であれば、どの方向からの光であっても同じように光は早く到達しなかれば一貫性はなく、普遍性はありません。

また列車上のどの地点でも同じように光は早く到達しなかれば普遍性はありません。

Aの雷の光は遅く届き、Bの雷の光は早く届いたので、特殊相対性理論の根底をなす思考実験からの考察は破綻しています。

更なる突っ込みどころは

特殊相対性理論の「速度が速くなると時間は遅くなる」に繋がるには

思考実験から無理くり展開するなら、速度が速くなると時間は早くなる理論構築が生まれるはずですが、多分です。 列車の移動速度と光の到達時間だけの2点で考えると時間は早くなるはずです。 それなら少しは可能性があります。 

光速との関係上で逆の結論に飛躍しています。

アインシュタインは天才なので、論理の飛躍も、それを超える想像力で相対性理論を作り上げたとも言えます。 

それでもアインシュタインの特殊相対性理論は間違っていると考えています。

思考の習慣に囚われる

アインシュタインは相対性という2者との比較する視点が強すぎました。 理論も相対性理論とアインシュタインの強い視点が名前の取り込まれています。

静止系の堤防の座標と移動中の列車の座標の相対性はいいとして、それだけでなく移動中の慣性系内でも相対性的視点で時間を考えてしまった。

思考の習慣に囚われてやってしまったようです。

現在の特殊相対性理論を取り巻く状況は結果オーライ

アインシュタインの論理展開で生まれた特殊相対性理論に正当性はありません。

しかし現在では特殊相対性理論は広く認知され、理論として重要視されています。
取り巻く状況は結果オーライです。 

アインシュタインの特殊相対性理論を説明する物の例え(列車の思考実験)が悪かっただけで、たまたまアインシュタインが想像力で作り上げた特殊相対性理論がその後の数々の物理実験結果で検証されたように見えます。 人間の想像力の偉大さです。

しかしこんな事を言ってなんですが、それもないと私は思っています。
よく検証すると実験の誤差が大きくて結果がよく分からない検証が多いと考えています。 私見です。

どう考えてもシンプルに特殊相対性理論は間違っています。

その後の特殊相対性理論の検証実験はアインシュタインに寄せていった結果ではと思っています。偉大な世紀の大天才のアインシュタイン異論を唱える物理屋はいません。


資料

1)アルバート・アインシュタイン自身による特殊および一般相対性理論の解説
プロジェクト・グーテンベルクの電子ブック 1916年12月

The Project Gutenberg eBook of The Project Gutenberg eBook of Relativity: The Special and General Theory, by Albert Einstein (1879–1955)

https://www.gutenberg.org/files/5001/5001-h/5001-h.htm

2)アルバート・アインシュタインによる特殊相対性理論の解説
https://genius.com/Albert-einstein-the-special-theory-of-relativity-annotated

このWeb内容は上記1)から不都合な内容は削除されている。
ダメな例として明記しました。

アルバート・アインシュタインの特殊および一般相対性理論を語る時は必ずオリジナルである、上記1)のグーテンベルクの相対性の電子ブックを必ず見ること。

3)ド・ ジッター 実験のオリジナル論文
https://www.gsjournal.net/Science-Journals/Research%20Papers-Astrophysics/Download/5693

4)放出理論
1910年にダニエルフロストコムストックと1913年にウィレムドシッターは、真正面から見た二重星系の場合、接近する星からの光は、後退する仲間からの光よりも速く移動し、それを追い抜くと予想されるかもしれないと書いた。接近する星の「速い」信号が、それが後退していたときに以前に放出した「遅い」光に追いつき、追い越すのに十分な距離である場合、星系の画像は完全にスクランブルされているように見えるはずです。De Sitterは、彼が研究した星系のどれも極端な光学効果の振る舞いを示さなかったと主張し、これはリッツアン理論と一般的な放出理論の死の秘訣と考えられていました。

https://en.wikipedia.org/wiki/Emission_theory#Refutations_of_emission_theory

5)ド・ジッター効果
http://alternativephysics.org/book/DeSitterEffect.htm

6)●食変光星
食変光星[1](しょくへんこうせい)(eclipsing variable (star)[1])とは、共通重心の周りを回る2つの星が互いの光を覆い隠し合うことによって、みかけの明るさ(2星の合成光度)が変わるタイプの変光星である。そのため、食変光星は必ず連星系を形成している。また、地球から見てこの連星系が食変光星に見えるためには、2つの星の軌道面が、地球と連星系とを結んだ直線を含む平面の近くに存在する必要がある。一般的に、恒星自身の明るさは変わらず、規則的に変光するのが特徴である(ただし、後述するカシオペヤ座RZ星のように、連星系の一方が脈動変光星の場合はこの限りではない)。なお、「食変光星」は変光星としての分類であり、連星の分類として食連星[1](しょくれんせい)(eclipsing binary[1])と呼ばれることもある。

https://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%A3%9F%E5%A4%89%E5%85%89%E6%98%9F

7)●アルゴル型変光星
アルゴル型変光星(アルゴルがたへんこうせい)は、食変光星の分類の1つで、軌道平面が地球からの方角と一致している[1]。冷たい一方の星が熱いもう一方の星の前を通過すると、後者からの光が遮蔽され、地球から見た連星の合計の光度が一時的に低下し、最も光度の小さい状態になる。熱い方の星が冷たい方の星の前面を通過する時は、2番目に光度の小さい状態になる。

https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%A2%E3%83%AB%E3%82%B4%E3%83%AB%E5%9E%8B%E5%A4%89%E5%85%89%E6%98%9F

8)フェルミ・ガンマ線宇宙望遠鏡による成果論文の英科学誌「ネイチャー」への掲載について-ガンマ線バーストを使って「光速度不変原理」を検証-
平成21年10月29日
宇宙航空研究開発機構
https://www.jaxa.jp/press/2009/10/20091029_fermi_j.html

9)フィゾーの実験  ウィキペディアより
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%95%E3%82%A3%E3%82%BE%E3%83%BC%E3%81%AE%E5%AE%9F%E9%A8%93

10)特殊相対論における速度の加法則(合成則)の証明   理数アラカルトより
https://www.risalc.info/src/relativity-velocity-addition.html


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