直線で(片道で)光の速度を測っても、光の速度は不変となります。従って、片道の光速度は変化するが、往復で考えると光速度は不変となるとする「Kothimaro変換」は誤りではないですか。
現在、最も精度の高い片道光速測定実験では、往路と復路との差は光速の1/1014以下であることが確認されています。・・・・
A1.その実験方法では、光の速度は移動する物質の影響を受けて変化するので、片道での光速度不変を証明することは出来ません。
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地点Aから光を発し、地点Bでその光を受け取ります。地点AとBとの距離をc[m]とします。地点Aで時計を見て光を発した時を0時0分0秒とします。地点Bで時計を見て、光を受取った時が0時0分1秒であれば、光の速度はc[m]÷1秒=c[m/s]と計算出来ると思います。
A2.地点Aの時計と地点Bの時計が合っていることが、どの様にしても分からないからです。2つの時計を同一地点で合わせておいて地点AとBに移動させると、時計は移動中時の刻み方が変化します。
では、光を使って時計合わせが出来るでしょうか。0時0分0秒にAからBに向かって光を発します。しかし、Bでは光がAを出発した時が分かりません。光の速度が分からないと、距離÷光速度=経過時間が計算出来ません。「光速度が不変」であることを前提しないと時計合わせが出来ません。
しかし、それでは「光速度不変」を前提するので、観測される光速度が不変となってしまいます。
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縦質量増加は1/√(1-v2/c2)倍ですが、横質量増加は異なります。従って、全ての方向に1/√(1-v2/c2)倍質量が増加するので、時計は1秒間に√(1-v2/c2)秒を刻むとする「Kothimaro変換」は誤りであることが証明されました。
A3.縦質量増加と横質量増加について言及されました。確かに縦と横とでは、物質の動き難さが異なります。縦方向の動き難さは静止時の√(1-v2/c2)倍ですが、横方向はそれよりも動き難いのです。しかし、高速移動する物質はローレンツ収縮します。時計も横方向に収縮するので、横方向には粒子間の距離が縮まります。粒子間の距離が縮まると、粒子同士が結合離反するのに要する時間は少なくて済みます。
つまり、横方向には縦方向よりも少ししか動けなくても、少ない動きで粒子の結合離反が出来るので、物質の反応が縦方向と同じ速度で進むのです。また、別の表現をすると、横方向には時計全体が収縮しているので、内部部品は少ししか動けなくても、その時計は静止時の√(1-v2/c2)倍で時を刻むことが出来るのです。
従って、物質の変化のスピードは縦方向も横方向も全て、静止時の√(1-v2/c2)倍となるのです。時計の内部部品は、縦も横も静止時の√(1-v2/c2)倍しか動かないので、v[m/s]で移動する時計は1/√(1-v2/c2)秒間に1秒を刻む様になります。
A4.慣性系の移動速度に関係なく、光(電磁波)の物質間の往復時間は不変と観測されます。電磁力は電磁波の速度に応じた強さが生じます。
言い換えれば、電磁波の往復時間に応じた強さの電磁力が生じます。電磁波の往復時間は不変なので、生じる電磁力も同じなのです。
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A5. ここに、大きさや構造は全く同じ2つの時計AとBがあります。部品の質量だけがAがBの2倍です。しかし、AとBの2つの時計は、1秒間に1秒を刻む様に作られています。時計Aは、2秒に1秒を刻む様に製作されていると言うことはありません。
一方、時計Bが高速で移動したり、強い重力が掛かったりすると、Bの部品の重さはAの部品と同じ重さとなった様に振舞います。しかし、部品を動かす動力の強さは同じです。そうすると、時計Bは遅れます。
A6. 物体の落下とは、その場に留まろうとする慣性力を他の物体からの重力が引っ張る現象です。そして、全ての物質で慣性質量と重力質量が一定です。ですから、質量が増えて動かす力である重力が2倍になっても、動き難さである慣性質量も2倍となるので、全ての物質は同時に落下するのです。ご質問では、時計の落下速度を言われている様です。
しかし、時計の進み方が遅れるのは、時計の内部構造が動き難くなる為です。時計の部品を動かす動力が何であれその強さは変化せず、部品が動き難くなるだけなので、時計は時の刻み方が遅れるのです。質量の大きな星の上に時計を置くと、地球より強い重力がその時計に掛かるので、時計の内部構造は動き難くなります。原子時計の原子の振動も遅れます。その為に、時計は遅れるのです。部品に掛かる重力が、時計の動力ではないからです。
A7.重りの重さが2倍となると、動かす力である重力が2倍となりますが、動き難さである慣性力も2倍となります。その為に振り子は同じ周期で振れるのです。
しかし、このことと時計が遅れることとは関係はありません。時計が高速で移動したり強い重力が掛かったりすると、時計の部品は動き難くなります。しかし、動力の強さに変化はありません。ぜんまいの強さ、モーターの強さは同じです。従って、その時計は遅れるのです。重力によって時計が動いているのではないのです。
A8. 粒子の速度が光速に近づくにつれてその粒子は加速し難くなることは、加速器の実験からも明らかです。相対論では、それをm=m0/√(1-v2/c2)と表現します。v[m/s]で移動する物質は質量が1/√(1-v2/c2)倍に増加した様に振舞うと言います。
カウフマンは、様々な速度の電子を曲げる実験を行い、相対論の通りに電子は動かし難くなることを確認しました。
しかし、実際に粒子が重くなるのではありません。粒子が動き難くなるので、その様に表現するのです。「Kothimaro変換」は、高速移動すると粒子が重くなるのでその粒子は動き難くなると理解されるのは誤りです。粒子は、先ず動き難くなるのです。
今、粒子がv[m/s]で移動しています。この粒子を上下左右方向へ動かします。その結果、上下左右方向にはc√(1-v2/c2)[m/s]でしか動かすことは出来ないことが分かります。この時、粒子の速度は√{v2+( c√(1-v2/c2))2}=c[m/s]となります。上下左右方向にこれ以上動くと、粒子の速度は光速を超えてしいます。
静止していれば、この粒子はc[m/s]で動かすことが出来ます。故に、v[m/s]で移動する物質は、静止時に比べてc√(1-v2/c2)[m/s]÷c[m/s]=√(1-v2/c2)倍でしか動けないことが分かりました。
v[m/s]で移動する時計の部品は、静止時に比べて√(1-v2/c2)倍でしか動けません。従って、1秒間に√(1-v2/c2)秒しか刻むことが出来なくなります。
A9.v[m/s]で移動する列車の床と天上に鏡を取り付けます。床と天上との距離は、便宜上√(c2-v2)[m]とします。そして、2枚の鏡の間に光を往復させます。これが、光時計の思考実験です。
列車の外に居る静止者には、光はWの様に斜めに上下しているのが見えます。片道の距離はc[m]であり、光の速度はc[m/s]なので、光は2秒で上下に一往復します。
列車の中の乗客には、光は片道√(c2-v2)[m]を真っ直ぐ上下していると見えます。そして、2秒間で一往復するので、光の速度は√(c2-v2)[m/s]と観測される筈です。
しかし、実際には光の相対速度は不変なので、乗客には光の速度はc[m/s]と観測されます。従って、光は√(c2-v2)[m]÷c[m/s]=√(1-v2/c2)秒で天上から床に達します。
列車の外に居る静止者には、光時計は2秒間で一往復しています。列車の中に居る乗客には、光時計は2√(1-v2/c2)秒間で一往復しています。ご質問の様に、一見すると高速移動により光時計の進み方が変化した様に思えます。
しかし、光時計自体の進み方に変化はありません。光時計は常に2秒間で一往復します。ただ、列車の中に在る物質で出来たあらゆる時計が遅れます。1秒間に√(1-v2/c2)秒しか刻まなくなります。
光は2秒間で一往復しますが、列車の中の時計はその間に2√(1-v2/c2)秒しか刻みません。従って、光は2√(1-v2/c2)秒間に一往復していると観測されるのです。従って、乗客には光の速度は2√(c2-v2)[m]÷2√(1-v2/c2)秒=c[m/s]と観測されるのです。
乗客である私自身の肉体も、ゆっくりと反応する様になります。私はゆっくりと動き・思考し・年を取る様になります。私が列車の外に居る静止者を見ると、静止者は速く動き・思考し・年を取っているのが見えます。あたかも、静止者に流れる時間は速く経過している様です。しかし、実際には私の肉体の反応速度が遅くなっただけです。私から見ると、ゆっくりと上下する光は、感覚的にも静止時と同じ速さで上下していると見えます。
A10. 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。そして、私は宇宙を次の様に想定しています。
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。
物質も光も一本の超ひもの振動として表現されます。超ひもの長さをプランク距離Lと言います。振動が超ひもの端から端まで伝わるのに要する時間をプランク時間Sと言います。超ひもの振動は光速cで伝わります。従って、
光速c=プランク距離lp÷プランク時間tp=lp/tp= 1.616199×10-35m÷5.39106×10-44秒=299,792.5[km/s]となります。
光は抵抗を受けないので、そのまま高速で「超ひもの網」上を伝わります。物質は、ヒッグス粒子がまとわり付き動き難くなるので、光速未満でしか動く事は出来ません。
しかし、これは「超ひもの網」が形成された後のことです。宇宙開闢の極初期段階では、1本1本の超ひもは自由に動き回っていました。超ひもは、何もない真空中を移動しているので、その速度に限界はありません。エネルギーが強ければ、1本1本の超ひもは光速を超えて移動することが出来ます。ものの移動速度が光速以下となるのは、「超ひもの網」が形成され、あらゆるものがその網上を振動として伝わる様になった後のことです。
A11.空間に何もないのであれば、何故光は真空中を一定速度c[m/s]で伝わるのでしょうか。光も粒子であり、真空中には何もないのであれば、光はもっと速く伝わることが出来るはずです。しかし、真空は光を一定速度で伝える性質を有しています。
一方、光は1本の超ひもの振動として表現されます。そして、光としての振動は、1本の超ひも上を光速で伝わります。また、真空中もそのままの速度c[m/s]で伝わるのです。このことから、真空中も超ひもが網状に繋がっており、光としての振動が「超ひもの網」上を光速で伝わっているとの結論が導かれます。空間の実体は「超ひもの網」であり、この「超ひもの網」が光を一定速度で伝えているのです。
A12.「超ひもの網」上にヒッグス場が形成され、物質としての振動がヒッグス場を移動するとヒッグス粒子が生じ、物質としての振動を伝え難くさせます。つまり、「超ひもの網」上に「ヒッグス粒子のプール」があり、物質がその中を移動すると抵抗が生じるイメージです。
即ち、この「ヒッグス粒子のプール」が静止系です。何故ならば、物質がその中を動くと、動き難くさを与えられるからです。「ヒッグス粒子のプール」と相対的位置関係が変化しなければ、物質は動き難さを与えられず質量も生じないからです。
A13.高速で移動すると時間の経過が遅れるのでしょうか。それを検証して見ます。
ここに原子時計があります。原子がn回振動すると、この時計は1秒進みます。この時計がv[m/s]で移動する様になったとします。何ものも光速以上で移動することは出来ません。従って、v[m/s]で移動する物質は、静止時に比べて√(1-v2/c2)倍しか動けなくなります。速度は質量に反比例するので、この現象を「v[m/s]で移動する物質は、質量が1/√(1-v2/c2)倍に増えた様に振舞う」と表現します。
この時計の原子は√(1-v2/c2)倍しか動けないので、1秒間に振動する回数はn*√(1-v2/c2)回となります。この時計は、原子がn回振動すると1秒進むので、n÷n*√(1-v2/c2)=1/√(1-v2/c2)秒に1秒進む様になります。
現実に、GPS衛星に搭載されている時計は、地上では√(1-v2/c2)秒に1秒進む様に設定されています。衛星が軌道に乗りv[m/s]で移動する様になると、√(1-v2/c2) /(1-v2/c2)=1秒となり、この時計は1秒間に1秒進む様になります。
高速で移動する時計の遅れは、t'=t/√(1-v2/c2)と表されます。原子に強い重力が掛かった場合も、その原子は重くなり動き難くなり同じ現象が起ります。
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。振動と言う物質変化のスピードが遅くなっただけです。この時間の変化は主観的なものです。次の様に考えるとそのことは分ります。
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。
この上更に、時間の経過自体が1/√(1-v2/c2)倍に遅れると、時計の遅れはt'= t/(1-v2/c2)となってしまい、現実とは乖離します。
時間は変化しないのでタイムマシンを作ることは出来ません。しかし、私が高速移動したり、私に強い重力が掛かると、肉体の反応が極めてゆっくりとなるので、未来に行くことは出来ます。しかし、過去に戻ることは不可能です。
A14.質問者さんが仰っているのは光の絶対速度です。相対性理論では、光の相対速度が不変であると考えます。詳細は、super_inflationさんの光速度不変の原理は大間違いを参照下さい。
A15.相対性理論の速度の加法則を使うと、27.7[km/s]となります。kothimaro変換を使うと4c/3[km/s]となります。詳細は、相対性理論における速度の合成と、kothimaro変換における速度の合成を参照下さい。