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特殊相対性理論とは何か
速度の上限が光速である理由
「何ものも光速を超えて移動することは出来ない」(アインシュタイン博士)
なぜ、ものの速度の上限は光速なのでしょうか。それを知るには、何故光は光速を超えて進まないのかがヒントになります。光が粒子であれば、更にエネルギーを加えると、幾らでも速く動きそうです。しかし、現実にはその様なことは起こりません。それは何故でしょうか。
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、宇宙を次の様に想定します。
宇宙開びゃくの瞬間、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」は第三回目の相転移を起こしました。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。
ここからは、オリジナルです。
ビッグバンの初期には、「超ひも」は光速を超えて自由に移動していました。しかし、宇宙のエネルギーの低下に伴い、宇宙は相転移を起こし、「超ひも」は固定され網状に繋がったと考えます。
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思います。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。
質量増加
物質を動かす重力・電磁力・強い力・弱い力は、何れもケージ粒子が物質間を光速で往復することで生じます。物質の速度が光速に近づくに従って、ケージ粒子が往復するのに長い時間を要する様になります。亜光速では、ケージ粒子は往復することは出来ません。この理由により、高速で移動する物質は加速し難くなります。そして、超ひもの振動自体が光速なので、何ものも光速を超えることが出来ないのです。
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。
左図を見て下さい。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。
この通り、高速で移動する時計の内部構造は静止時に比べて√(1-v2/c2)倍しか動かないので、1秒間に√(1-v2/c2)秒を刻む様になります。これを、相対論ではt'=t*√(1-v2/c2)と表します。
ローレンツ収縮
また、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。v慣性系では、定規がローレンツ収縮します。
光速度不変
v慣性系で遅れた時計と収縮した定規を使い、光を往復させてその速度を測定すると、必ず「光速度不変」となります。
v[m/s]で並走しながら、物質同士が電磁波を交換し合うと、電磁波の往復距離は横(進行方向)1/(1-v2/c2)倍・縦(上下左右方向)1/√(1-v2/c2)倍に伸びます。
しかしv[m/s]で移動する物質は、進行方向に√(1-v2/c2)倍ローレンツ収縮します。移動する地球全体がローレンツ収縮するので、電磁波の往復距離は横√(1-v2/c2)/(1-v2/c2)2倍=1/√(1-v2/c2)倍・縦1/√(1-v2/c2)倍となります。
従って、電磁波の往復時間は、静止時に比べて、横1/√(1-v2/c2)倍・縦1/√(1-v2/c2)倍となります。
一方、v[m/s]で移動する時計は遅れ、1/√(1-v2/c2)秒間に1秒を刻む様になります。従って、v慣性系では、電磁波は静止時と同じ1秒で物質間を往復することになります。
特殊相対性原理
電磁力は、光の一種である電磁波が電荷を帯びた粒子間を光速で往復することで生じます。そして、その強さは距離の2乗に反比例します。つまり、電磁波の往復時間の2乗に反比例した強さの電磁力が生じます。
上記の様に、全ての慣性系で光の往復に要する時間は不変となります。その為に、特殊相対性理論では、生じる電磁気力の強さは、静止時と同じと観測されると考えます。
これを「全ての慣性系において、物理法則は同じ形となる」と言います。
特殊相対性理論は、電磁気学の理論として提唱されました。移動する電磁石も静止している電磁石もその強さは変わらないことを説明するために、電磁波が往復する時間は不変と観測されるので、生じる電磁石の強さも不変と観測されるとしたのです。
静止系の存在
また、静止系は存在します。
少し前に、ヒッグス粒子が発見され話題になりました。空間は何もない入れ物ではなく、そこにはヒッグス場があります。物質がヒッグス場上を移動すると、ヒッグス粒子が生じ物質にまとわり付きます。その為に、物質は動き難くなり質量を与えられます。
即ち、この「ヒッグス粒子のプール」が静止系です。物質が「ヒッグス粒子のプール」の中を移動すると質量が与えられ、その中で加速するとGが掛かるからです。
逆に、「ヒッグス粒子のプール」自体が宇宙の中を移動しており、物質が「ヒッグス粒子のプール」と同じ速さで同じ方向に移動しても、その物質には質量は与えられずGも掛からないからです。
超ひも理論
光は何故光速を超えることが出来ないのでしょうか。
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、宇宙を次の様に想定します。
宇宙開びゃくの瞬間、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」は第三回目の相転移を起こしました。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。
ビッグバンの初期には、「超ひも」は光速を超えて自由に移動していました。しかし、宇宙のエネルギーの低下に伴い、宇宙は相転移を起こし、「超ひも」は固定され網状に繋がったと考えます。
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思います。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。
「超ひもの網」上を物質としての波が伝わると、ヒッグス粒子が生じ物質を伝わり難くします。ですから、「超ひもの網」と「ヒッグス粒子のプール」が静止系です。
地球は、この静止系に対して移動しています。光は静止系の上を光速で伝わります。
ですから、光の速度は地球の進行方向か逆方向かで速度が異なります。
物質は、光速に近づくほど動かし難くなります。これは、加速器の実験でも実証済みです。
物質を動かす重力・電磁力・強い力・弱い力の4つの力もケージ粒子が物質間を光速で往復することで生じます。物質自体が高速で移動すると、ケージ粒子の往復に要する時間が伸びます。光速では無限大となり、力は働きません。
この様に、物質が高速になるに従って、物質を動かす力は働き難くなるので、動かし難くなります。これを高速で移動する物質は質量が増加した様に振る舞うと言います。ただし、本当に重くなるのではありません。動き難くなったのでその様に表現するのです。
この様に、高速で移動する時計を構成する粒子は動き難くなるので、時計は遅れます。私が高速移動すると、私はゆっくりと動き思考し年を取る様になります。
これで、物質には移動速度に応じた時間の経過があることを、上手に説明することが出来ます。
物質が高速移動すると、原子核の周りを回っている電子の速度も落ち遠心力も弱まるので、原子核の電磁力に引かれ電子は小さな軌道を回る様になり、物体は収縮します。これを「ローレンツ収縮」と言います。ですから、高速で移動する慣性系では定規がローレンツ収縮します。
v慣性系では、時計が遅れ定規がローレンツ収縮します。光の往復距離は、静止系に比べて縦1/√(1-v2/c2)倍・横1/(1-v2/c2)倍となります。しかし、地球全体がローレンツ収縮するので、光の往復時間は、縦横共に静止時の1/√(1-v2/c2)倍となります。
一方、v慣性系では時計が1/√(1-v2/c2)秒間に1秒を刻むので、光は縦横共に静止時と同じ1秒で往復すると観測されます。これが「光速度不変の原理」です。
電磁力は電荷を帯びた粒子間を光の一種である電磁波が往復することで生じます。そして、その強さは粒子間の距離の2乗に反比例します。つまり、電磁波の往復に要する時間の2乗に反比例します。
v慣性系でも、静止系と同じ時間で電磁波が往復すると観測されるので、生じる電磁気力の強さも不変と観測されるのです。
これを、「全ての慣性系で物理法則は同じ形を採る(特殊相対性原理)」と言います。
この様に、時間と空間自体は変化しません。変化するのは物質の方です。高速移動すると物質が動き難くなり物質が収縮するので、時計が遅れ定規が収縮するのです。
その為に、光を往復でその速度を測定すると、「光速度不変」となるのです。
時間と空間の主観的変化
高速移動すると私自身がゆっくりと動き思考し年を取る様になります。私の持っている時計が遅れます。
また、私は収縮します。私の持っている定規も収縮します。
ですから、観測者は自分の方が変化したとは思わず、時間や空間自体が変化したと思うのです。この様に、時間と空間の変化は主観的なものです。
現実には、観測者自身を含む物質が変化しているのです。これを「相対性理論のCATBIRD解釈」と言います(2015/05/30am06:06)。
