【簡単】光速度不変の原理とは|特殊相対性理論の原点

【簡単】光速度不変の原理とは|特殊相対性理論の原点 相対論

「光速度不変の原理って何? 走ってる車から光を出しても光の速度は変わらないの? 速度合成の法則って? 物理学ってなんだか難しそうだな…」

こういった疑問に物理学修士の筆者が答えます。

結論

光速度不変の原理とは簡単にいうと、走っている物体から光を放っても光の速度は変わらないし、逆に光の方向に走って行っても光の速度は変わらないという原理です。アインシュタインの相対性理論のベースとなっている理論でもあります。詳細は本記事にて解説します。

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光速度不変の原理とは

光速度不変の原理とは簡単にいうと、走っている物体から光を放っても光の速度は変わらないし、逆に光の方向に走って行っても光の速度は変わらないという原理です。光速度不変であることが確認された代表的な実験に、1887年にアメリカの物理学者アルバート・マイケルソンとエドワード・モーリーが行った実験があります。彼らは、上表のように地球が太陽の周囲を公転していることから、公転方向とほぼ垂直に進む光の速度と、公転方向とほぼ平行に進む光の速度には、当然差が出るはずだと考えました。地球の公転速度は秒速約30kmで、光の速度の約1万分の1に相当するため、公転速度は2方向に進む光の変化を検出するために十分な相対速度でした。しかし、大多数の物理学者の予想に反して、光の速度は垂直方向でも水平方向でも、 まったく同じだったのです。つまり光の速度は、公転方向の速度に関係なく一定だった(速度合成の法則が当てはまらなかった)のです。
では光はどのように性質を持っているのでしょうか。光速度の不変の原理の本質を「1.観測者が止まっている場合」と「2.観測者が動いている場合」に分けて解説します。

1.観測者が止まっている場合

観測者が止まっている場合、ボール、音、光はそれぞれどのように見えるのかを解説します。

ボールの速度

観測者が止まっている場合のボールの速度

上写真のように、車が速度v1で走っていて、その上でボールを速度v2で投げたら、観測者見れば、ボールは速度v1+v2で向かってくるように見えます。このように、車の速度とぼ―ルの速度を足すことを速度合成の法則といいます。

音の速度

観測者が止まっている場合の音の速度

上写真のように、車が速度v1で走っていて、クラクションでv2の速度の音を鳴らします。観測者から見れば、音の速度はv2で向かってくるように見えます
なぜ音の速度がv1+v2に見えないかというと、音は波なので、速度合成の法則に当てはまらないからです

光の速度

観測者が止まっている場合の光の速度

上写真のように、車が速度v1で走っていて、v2の速度のライトをつけます。光も波の性質を持っているので、観測者から見れば、光の速度はv2で向かってくるように見えます。

「いやいや、これじゃあ、光速度不変の原理じゃなくて、波の速度不変の原理じゃないか!」と思うと思います。次の章でモヤモヤが解消するので安心してください。

2.観測者が動いている

次に観測者が動いている場合、ボール、音、光はそれぞれどのように見えるのかを解説します。

ボールの速度

観測者が動いている場合のボールの速度

上写真のように、車が速度v1で走っていて、地上の人がボールを速度v2で投げたら、車に乗っている観測者見れば、ボールは速度v1+v2で向かってくるように見えます

音の速度

観測者が動いている場合の音の速度

上写真のように、車が速度v1で走っていて、地上にあるスピーカーから速度v2の音を放ちます。車に乗っている観測者から見れば、ボールと同じで音の速度はv1+v2で向かってくるように見えます。

光の速度

観測者が動いている場合の光の速度

上写真のように、車が速度v1で走っていて、地上にあるランプから速度v2で光を放ちます。車に乗っている観測者から見れば、光の速度はv2で向かってくるように見えます。ボールや音は速度がv1+v2に変わったのに、光だけ速度がv2と変わらなかったです。これが光速度不変の原理なのです。

3.なぜ光速度不変なのか

なぜこんなことが起きるのかというと、動いている物体は時間が経つのが遅くなるからなのです。あなたも車を運転している時と、地上にいる時は時間の流れ方が違うのです。これがアインシュタインが特殊相対性理論で出した結論なのです。

↓アインシュタインの特殊相対性理論はコチラ↓

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