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物質がローレンツ収縮する仕組み
Ⅰ.私の考える「ローレンツ収縮のしくみ」
物質は、光速に近づくほど動かし難くなります。例えば、v[m/s]で移動する粒子を、進行方向に向かって上下左右方向へ動かします。その方向へ動かせる限度は√(c2-v2)[m/s]までです。この時、粒子の速度は、√{v2+(√(c2-v2))2}=c[m/s]となります。これ以上粒子が、上下左右方向へ動けば、その速度は光速を超えてしまい矛盾します。
静止時には、その方向へはc[m/s]まで動かすことが出来ました。従って、v慣性系では、静止時の√(c2-v2)[m/s]÷c[m/s]=√(1-v2/c2)倍しか動かせないことが分かります。
これを相対性理論では、m=m0/√(1-v2/c2)と表わします。m=v[m/s]で移動する物質の質量・m0=静止時の物質の質量です。v[m/s]で移動する物質は、質量が1/√(1-v2/c2)倍に増えた様に振る舞うと表現します。但し、実際に質量が増加する訳ではありません。同じ力を加えても、質量が2倍になると動く速度は1/2倍となります。ですから、静止時に比べて√(1-v2/c2)倍しか動かなくなったので、その様に表現するのです。
ですから、hさんの質量が2倍に増えても速度は1/2にならないと言う反論は本末転倒です。先ず動き難くなるので、まるで質量が増加したようだと言うだけですから。
v[m/s]で移動すると、物質は進行方向へ√(1-v2/c2)倍収縮します。これを「ローレンツ収縮」と言います。電子は、原子核の周りを高速で回転し、その遠心力と原子核に引き付けられる電磁気力の釣り合う一定距離を保っています。原子が高速で移動すると、電子は回転し難くなります。その為に遠心力は弱まります。原子核の電磁気力も弱まります。しかし、縦質量増加よりも横質量増加の方が大きいので、物質の進行方向へは電子は縦方向よりゆっくり動きます。それだけ、横方向は遠心力が弱まるので、電子は原子核の電磁気力に引き付けられ、原子自体が横方向へ収縮することになります。
縦方向の質量増加効果は1/√(1-v2/c2)倍です。つまり、√(1-v2/c2)倍しか動けません。従って、遠心力は弱まります。一方、縦方向では、原子核と電子の間を移動する電磁波の往復距離は1/√(1-v2/c2)倍となり、電磁力も弱まります。従って、縦方向では原子の収縮は起こらないことが分かります。
一方、横方向の質量増加効果は1/√(1-v2/c2)3です。つまり、√(1-v2/c2)3倍しか動けません。従って、遠心力は大きく弱まります。一方、横方向では、原子核と電子の間を移動する電磁波の往復距離は1/(1-v2/c2)倍となり、電磁力も弱まります。しかし、見てお分かりのとおり、電磁力の弱まり方よりも遠心力の弱まり方の方が大きいので、電子は原子核に引かれます。その結果、原子は横方向に√(1-v2/c2)倍収縮することが分かります。
この様にして、v[m/s]で移動する物体は、進行方向に√(1-v2/c2)倍収縮します。これを「ローレンツ収縮」と言います。
Ⅱ.hさんの誤主張
以上の私の回答に対して、hさんは次のように反論されました。
＞例えば、「電子は原子核の周りを高速で回転しています。回転による遠心力と原子核からの電磁力である引力との釣り合う一定の軌道上を、電子は回転しています。」などと書いていますが、これは１世紀以上も前の古典力学のイメージです。２１世紀の現代に、電子をこんなイメージで捉えている科学者はいませんから。＜
電子は原子核の周りを回転しています。これは事実です。しかし、1つ1つの電子の位置を特定することは出来ません。このままでは、物理計算は不能です。
そこで、電子を、その場所に存在している確率で表現する方法が考案されました。従って、現在物理学では、電子は雲の様なイメージで捉えられています。つまり、存在する確率の高い部分は電子の雲が濃く、確率の低い部分は薄いイメージです。そして、原子核の周りにふわふわ浮いている感じです。
これで、物理計算が可能となります。しかし、これはあくまでも物理計算上の便宜的方法です。そう仮設すると計算可能となるのです。
しかし、現実には電子は原子核の周りを回転しています。そして、電子が外に飛び出そうとする遠心力(赤矢印)と、原子核の電磁力(青矢印)に引き付けられる力の釣り合う一定の軌道上を回転しています。電子が、実際にふわふわ浮いている訳ではありません。そして、高速移動により、上記の様に遠心力と電磁力のバランスが変化します。その為に、横方向では、電子は原子核に引き付けられ√(1-v2/c2)倍核に近い軌道上を回るようになるのです。こうして、高速移動する物体は、「ローレンツ収縮」するのです。
hさんは、「現実」と計算上の「便宜的方法」とを混同されていらっしゃるご様子です。
