光速の変動性を検証する思考実験 Eins4回

2022年8月6日

アインシュタイン 光速 光速の不変性 光速度の変動性 思考実験 時間の遅れ 特殊相対性理論

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光速の変動性を検証する思考実験です。移動する列車内でキャッチボールをする視点から光速の変動性を検証します。 3つの図を辿るだけで直感的に光速の変動性が理解できます。

光速の変動性を検証するには、宇宙の遥か彼方の恒星を調べるなどの天文学的手法が主です。一般の人が検証しようとしてもできず、良く分からない世界です。

過去のブログのEins2回でも光速の不変性の検証の思考実験をしましたが、内容を更にシンプルにして、より誰もが直感的に理解できるようにしました。

今回の思考実験を使えば、列車内でキャッチボールできる事の深い意味が分かり、それが光速の変動性を明らかします。 それを誰もが検証できて、論理の整合性を確認できます。そして本当の事が分かります。

過去の関連ブログ内容

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列車内でキャッチボールをする

速度Vtで走る列車内でキャッチボールします。 Fig.1です。
ピッチャーAがボールを投げてBが受け取ります。

ピッチャーAの手を離れた瞬間のボールの速度はVbになります。 
列車内の慣性系のボールの速度です。

列車外の静止した観測者がそのボールを見ると、
ボールは Vb + Vt*sinθ の速度で飛んでいるように見えます。

相対的な速度なので慣性系の速度が加算されます。
古典的なニュートン力学の世界です。

この後も光の速度の思考実験を続けます。
その中でも「静止系から見た相対的な速度には、慣性系の速度が加算される」という考え方が基本です。


光速の変動性を列車モデルを使って思想実験。Fig. 1 列車内でキャッチボールをする
光速の変動性を列車モデルを使って思想実験
Fig. 1 列車内でキャッチボールをする


光子銃でターゲットBを狙う

観測者Oと列車上のAがターゲットBを光子銃で狙います。Fig. 2です。

観測者Oと列車上のAが横並びになった時に、ターゲットBの座標を狙います。
ターゲットBの座標はAとBから同じ距離のあります。

光子銃で発射するのは1つの光子だけです。

観測者Oから発射される光子の速度Vpは秒速30万㎞です。
同じくAから発射される光子の速度Vptも秒速30万㎞です。

光子銃のイメージ

現実社会での光子銃のイメージは直線性を示すレーザーの発光です。
レーザーを連続発光させないで一瞬だけ発光させます。


光速の変動性を列車モデルを使って思想実験 Fig. 2  光子銃でターゲットBを狙う

光速の変動性を列車モデルを使って思想実験
Fig. 2  光子銃でターゲットBを狙う

光子銃の発砲のt秒後

観測者Oと列車上のAがターゲットBの座標に対して光子を発射してからt秒後です。
Fig. 3です。

Aが発射した光子

列車上のAが発射した光子はt秒後にターゲットBに命中します。
 
何も特別なことではありません。普通に見られる事です。

観測者Oが発射した光子

観測者Oが発射した光子はt秒後にターゲットBを外れます。 
その後も光子はターゲットBに命中することはありません

理由はターゲットBの位置が狙った座標から移動しました
ターゲットBの位置は列車の上にあるので、光子の飛行中の時間内に速度Vtで移動します。


光速の変動性を列車モデルを使って思想実験 Fig. 3 光子銃の発砲のt秒後
光速の変動性を列車モデルを使って思想実験
Fig. 3 光子銃の発砲のt秒後



思考実験から分かること(考察)

Aからの光子は命中、Oからは外れる

AとOから光子を同時刻に発射して、同じように同距離れ、同じターゲットBの座標を狙いました。 しかし結果は違いました。
 
Aからの光子は命中して、Oからは外れる。

理由

その理由は一つしかありません。実質的にはAからの光子の速度には列車の速度が加算されています。 慣性系の速度の影響を受けたことになります。

Aからの光子の速度 = 光速 + 列車の速度Vt

列車上にいればその加算された速度は実感できません、列車外の静止系から眺めると速度は加算られてそのような振る舞いを示します。

慣性系

列車上のAが発射した光子は命中します。

それを踏み込んで考えます。
列車の上という特別な場所でなく、普通の地上を考えます。
地上は一見すると静止しているように見えますが、実は高速で移動しています。 地球の自転と公転です。 

地上に立つという事は、列車上と同じように別の慣性系に乗っています。 

地上では光子は狙った目標に直線的に進んで命中します。
毎日同じ様な事が繰り返し起こっています。

広く考えると、列車の上で光子の振る舞いと地球の地上での振る舞いは同じです。
両者の違いは、相対的な速度の差だけです。 

それぞれが慣性系の影響を受けていると考えられます。

思考実験の結論

光子の速度、すなわち光の速度は発光源の速度の影響を受ける。
その意味は広く言われている光速の不変性はない。
 
そして異なる慣性系から光の飛行を観測すると、光速は秒速30万キロを超える場合もあり、あるいは秒速ゼロ㎞に近い速度になることもある。

いずれ私達の子孫が宇宙に進出して行くと思っております。 
しかし今のロケットエンジンでは宇宙に進出して行くには速度が遅すぎます。

しかしロケットがイオンエンジンを持っていて、そのイオンエンジンに多段階のブースト機構を取り付けると秒速100万㎞も夢ではありません。

光速の恒常性が基本であるアインシュタインの特殊相対性理論は破綻したので、ウラシマ効果はありません。地球での時間変化とロケット内の時間変化は同じです。 

秒速100万㎞のロケットがあると1光年先にある惑星を探検して戻って来ても、数年で戻ってこれます。 1光年先にある惑星を探検が現実化します。

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

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今はSF小説三体に刺激を受けて量子力学、物理に関心があります。 その知識がいつか治療に繋がればと淡い期待があります。

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