重力とは何か２二つの光速度不変

重力とは何か（大栗博司・幻冬舎新書）について２

著者　髙田　敞

（以下｛　｝内は上記本からの引用）

｛どんなに足し算しても光の速さは変わらない｝理由

問題１

・　｛マクスエルの理論は、先ほども言ったとおり「光の速さ」に関してニュートン理論と矛盾していました。｝

・　｛マクスエルの方程式によれば、光（電磁波）の速さは常に秒速３０万キロメートルで一定になるからです。｝

・　｛ニュートン力学では、物体の速度が「足し算」で変わるとされていました。｝

考察１

　光の速さは足し算されないから、ニュートン力学と矛盾するという主張です。そうでしょうか。ニュートン力学は、ここにも書いてある通り｛物体の速度が「足し算」で変わる｝と｛物体の速度｝に限定しています。光は物体ではありません。質量を持たない電磁波です。したがって、ニュートン力学の範疇には入りません。ラクビーの試合なのに、サッカーのルールを適用している審判のようなものです。「ボールを持って走っちゃだめだ」、ではラグビーの試合になりません。光に物質のルールを適用したら矛盾するのは当たり前です。合う方がおかしいのです。

　反対にサッカーの試合にラクビーのルールを当てはめたらどうなるでしょう。ボールを持って走りだしたらやはりサッカーの試合にはなりません。物体の速度が、マクスエルの方程式で、足し算できないとなったら、投げたボールは、すとんとその場で落ちてしまいます。それどころか、地球は公転できずに太陽に落ちてしまいます。

光と物体は違うものです。違うルールで動いています。それを無理やり同じ式を当てはめて、矛盾だというのはなぜでしょう。自分の理屈（特殊相対論）を正当化するために、わざと間違えたふりをしているのでしょうか。矛盾だということが、特殊相対論を作りだすために重要な要素だから、わざと間違えているのでしょうね。普通の私にでもニュートン力学は電磁波には適用できないと分かるのに、２０世紀最大の天才のアインシュタインが分からないはずはありませんからね。もし本当に分からないなら、高校で物理を選択しなかったのでしょう。

大栗博司氏はどのように考えますか。｛ニュートン力学では、物体の速度が「足し算」で変わるとされていました。｝と述べているのだから、物体でない電磁波は｛ニュートン力学｝には関係ないとは考えませんか。それとも、物体の速度が「足し算」で変わるという考えは過去のもので、今はそれが間違いで、物体にもマクスエルの方程式を適用すべきだと言うのでしょうか。

考察２

　光の速度が足し算されない理由。（こんなこと説明するまでもないのですが、一応説明します）

　ニュートン力学の慣性の法則は、物体は運動エネルギーを保存するという性質、慣性質量を持っていることから生まれた法則です。慣性質量があるから物体は速度の足し算ができるのです。電磁波はこの慣性質量を持っていません。だから、電磁波は速度の足し算ができないのです。

ア　太郎さんとボールの場合

｛時速４０キロメートルで東に向かって走っている車があるとしましょう。それに乗っている太郎さんが、進行方向の東に向かって、時速２０キロメートルでボールを投げます。このボールは、その様子を道端に立って見ている花子さんにとって、時速何キロに見えるでしょうか。答えは、４０＋２０＝時速６０キロメートルです。・・・・・止まって見ている花子さんには、車とボールの速度が「足し算」されて観測されるのです。｝

　これがニュートンの理論です。太郎さんは時速４０キロメートルで車と共に走っています。太郎さんの持っているボールも時速４０キロメートルで車と共に走っています。したがって、ボールは時速４０キロメートルの運動エネルギーを持っています。ボールは慣性質量があるのでこのエネルギーを保存します（物質は、他からエネルギーが加わらない限り同じ運動を続ける、という慣性の法則です）。そこに、太郎さんが新たな時速２０キロメートルの運動エネルギーを加えます。ボールが保存していた４０キロメートルの運動エネルギーに、新たに時速２０キロメートルの運動エネルギーが加算されたので、ボールはその分加速します。

　運動エネルギー保存則です。ボールは、時速４０キロメートルの運動エネルギーと新たな時速２０キロメートルの運動エネルギーを保存して、時速６０キロメートルで飛びます。これが物質の速度の足し算です。（注）

（注：花子さんから見ると、ということです。太郎さんは、車の速度のほかに、地球と共に宇宙を飛んでいます。それは、地球の自転、公転、太陽と共に銀河系を回転し、アンドロメダに向かって銀河系と共に進み、それらと共に、おとめ座銀河団に向かって飛んでいる、それらの速度のすべてが加算された速度を持っているということです。｛道端に立って見ている花子さんにとって｝、ということは、花子さんも地球の速度を持っているということです。花子さんと太郎さんの共通の速度、地球の速度が相殺されて、残ったのが太郎さんと花子さんの相対速度である車の速度と、新たにボールに加わった速度だけになるのです。）

　このように、運動エネルギーを保存できる質量のある物質の場合には｛速度の合成速｝が成り立ちます。

　では光ではどうでしょう。

イ　太郎さんと光の場合

　時速９億キロメートルで走っている太郎さんが前方に向けて懐中電灯を光らせるという設定です。

　｛ニュートンの法則があてはまるなら、止まって観測している花子さんには、その光が９億キロ＋時速１１億キロ＝２０億キロメートルで飛んでいくように見えるはずです。｝と述べています。

　この考えはニュートンの考えではありません。この本でも述べているようにニュートンの法則は、物質の運動についてです。質量のある物質にだけ通用する法則です。慣性質量がないので運動エネルギーを保存することができない光には適用できません。｛見えるはずです｝は間違いです。｛ニュートンの法則があては｝まらないから「見えるはずはない」のです。

　仕組みについて

　時速９億キロで飛んでいる太郎さんは時速９億キロの運動エネルギーを保存しています。太郎さんは物質ですから、運動エネルギーを保存します。慣性質量があるからです。同じように、手に持った懐中電灯も時速９億キロで動いているので、時速９億キロの運動エネルギーを持っています。ニュートンの式で書けば、（「懐中電灯の運動エネルギー」＝「懐中電灯の質量」×「時速９億キロ^２」÷２）になります。懐中電灯はこのエネルギーを保存し続けます。物体の持つ慣性質量です。

懐中電灯の光はどうでしょう。光は物質でないので慣性質量を持っていません。したがって、懐中電灯の時速９億キロメートルの運動エネルギーを光は保存できません。光は光独自の速度、時速１１万キロメートルになるしかないのです。（光は光源の速度に影響されない、という、光速度不変の法則です）

　これを、この本に言うように、ニュートンの法則が光にも当てはまるとするとして、ニュートンの運動エネルギーの式に入れてみましょう。（「懐中電灯の光の運動エネルギー」＝「懐中電灯の光の質量」×「時速９億キロ^２」÷２）になります。「懐中電灯の光の質量」＝０だから、（「懐中電灯の光の運動エネルギー」＝０×「時速９億キロ^２」÷２）となり「懐中電灯の光の運動エネルギー」＝０になります。光は動けません。

光はマクスエルの法則でしか動きません。

　したがって、｛マクスエルの方程式によると、光を含めた電磁波にはこの法則が当てはまりません。｝ということになるのは当然なのです。

　ニュートン力学と、マクスエルの法則は矛盾しているのではなく適用範囲が違うだけです。質量のない電磁波に、ニュートンの物質の法則を適用しようというのが間違いなのです。勿論、質量のある物体にマクスエルの法則を当てはめるのも間違いです。

問題２
　｛光（電磁波）の速さは常に秒速３０万キロメートルで一定になる｝
　光は何に対して一定速度になるのか。
　　相対論に言う、走っている車にか、飛んでいる飛行機にか、　歩いている私にか。それとも、ニュートンの絶対空間にか。
考察　もうひとつの光速度不変則

しかし、次に述べていることは疑問です。｛時速９億キロメートルで走っている太郎さんにも、止まっている花子さんにも、光は時速１１億キロメートルで飛んでいくように見えるというのです。｝

なぜ、時速９億キロで走っている太郎さんにも、止まっている花子さんにも光は時速１１億キロに見えるのでしょう。これが特殊相対性理論の真髄です。

　普通に考えてみます。

・　花子さんから見た太郎さんと光

花子さんから見た光は時速１１億キロに見えるということです。では花子さんから見た太郎さんの速度は何キロメートルでしょう。本では、時速９億キロメートルという設定ですから、太郎さんが時速９億キロメートルで走っているのが見えるはずです。これは見え方だけではありません。花子さんが停止していると、花子さんに対して、光は時速１１億キロ、太郎さんは時速９億キロの相対速度を持ちます。

花子さんから見ると、光と太郎さんとの相対速度は３億キロメートル（＝１１億キロ－９億キロ）に見えるということになります。実際にもそうです。ところが、太郎さんから見ると光は１１億キロで離れていくというのだから、太郎さんと光の相対速度は１１億キロメートルでなくてはならないのですから矛盾が生じます。

・　太郎さんから見た光と花子さん

では太郎さんから見た光はどうでしょう。時速１１億キロメートルで前方へ飛んでいるように見えると書いてあります。花子さんに対して太郎さんは時速９億キロメートルで花子さんから離れていっています。すると、光と花子さんの相対速度は２０億キロメートル（＝１１億キロ＋９億キロ）になります。花子さんは止まっているという設定ですから、花子さんに対して光は２０億キロメートルで離れていることになり、光は２０億キロメートルで飛ぶことになり光速を超えます。ところが花子さんから見た光は１１億キロメートルということですから、ここでも矛盾が生じます。

アインシュタインの考えによると、光は何ものに対しても光速度である、ということでした。ところが、このように、特殊相対論が正しいとすると光速度でなくなります。理論と合っていません。太郎さんをたてれば、花子さんに対する光の相対速度が光速ではなくなります。花子さんをたてれば太郎さんに対する光の相対速度は光速ではなくなります。何ものにも光速度であるというアインシュタインの理屈が成り立たなくなります。

この矛盾を埋めるために発明されたのが、特殊相対論です。時間や空間を伸び縮みさせるという方法です。

これを解決する方法はほかにもあります。鍵は、｛マクスエルの方程式によれば、光（電磁波）の速さは常に秒速３０万キロメートルで一定になるからです。｝という理論には「何ものに対しても」という言葉は入っていないということです。

「一定になる」を、光は「何ものに対しても一定になる」であるという考えではなく、「宇宙空間に対して一定になる」と変えれば、矛盾はなくなります。光は常に宇宙空間に対して光速度であるから、速度を持った太郎さんとは、相対速度は１１億キロ－９億キロ＝３億キロメートル、花子さんとは、時速１１億キロメートル－０キロメートル＝１１億キロメートルになります。光速度は宇宙空間で一定速度を持ち、やはり宇宙空間で絶対速度を持つ太郎さんとも花子さんとも相対速度を持つということです。（このとき、太郎さんも花子さんも宇宙空間に対して一定速度をもっていると考えます。太郎さんは宇宙空間に対して９億キロメートル、花子さんは宇宙空間で０キロメートルの速度、ということです）

この違いはアインシュタインとニュートンとの根本の考え方の違いからきています。アインシュタインは相対空間です。ニュートンは絶対空間です。アインシュタインは、相対空間ですから、太郎さんの速度も花子さんの速度も決まりません。観察者の速度によって、どのような値もとります。ニュートンの場合は、観察者は関係ありません、絶対空間に対する速度ですから、太郎さんの速度も花子さんの速度も光の速度も絶対空間に対しての速度ですから決まっています。

ニュートンの場合、花子さん（この場合、花子さんは地球上に停止しているとして考えます）から見た太郎さんと光はどうなるでしょう。

光は空間に対して１１億キロメートルで飛び、花子さんは空間に対して地球の速度で飛んでいます。光と花子さの相対速度は（１１億キロ－地球の速度）になります。花子さんから光が見えたとしたら、光はこの速度で離れていくのが見えます。

太郎さんは、空間に対して時速９億キロメートルで飛び花子さんは地球の速度で飛んでいます。太郎さんと花子さんの相対速度は（９億キロ－地球の速度）になります。花子さんから見た太郎さんはこの速度で離れていっていると見えます。

この場合、光も、太郎さんも、花子さんも、絶対空間に対しての速度です。だから決まった速度であり、観察者の速度によって変化することはありません。観察者の速度によって変化するのは、観察者との相対速度です。

この考え方はニュートンの基本的な考え方です。絶対空間、絶対時間です。この考えだと、光も、物質も、絶対空間に対して絶対速度を持ちます。見え方は関係ありません。小学校の算数で計算して簡単に答えが出ます。しかも矛盾はありません。

特殊相対論ではこうはなりません。

矛盾が出るので、時間を伸び縮みさせたり、空間を伸び縮みさせたりします。そしてややこしい計算式で計算します。アインシュタインの信条である、シンプルイズビューティーはどこに行ったのでしょう。

相対性となるとこれもすごいことです。

太郎さんから見ると、自分（太郎さん）は停止していて、花子さんが（９億キロ－地球の速度）で飛んでいることになります。勿論花子さんが立っている地球も、（９億キロ－地球の速度）で花子さんと共に飛んでいることになります。それでは地球が太陽から離れてしまうので、太陽も地球と共に飛んでいます。それでは太陽が銀河から離れてしまうので、銀河系もやはり、（９億キロ－地球の速度）で飛んでいます。それでは他の銀河との引力の関係がなくなるので、宇宙全体の銀河が、やはり（９億キロ－地球の速度）で太郎さんから飛び去っていくことになります。太郎さんが時速９億キロで飛びながら花子さんを見ると、宇宙のすべての銀河が、時速（９億キロ－地球の速度）で飛ぶことになります。

現実では、私が、車で時速６０キロメートルで北に向かって走ると、私から見ると地球が時速６０キロメートルで南に回転することになります。もちろん宇宙も回転を始めます。アンドロメダ銀河など光速をはるかに超える速度で回転し始めます。それが、すべてが相対性である相対性理論の真髄です。

結論

　アインシュタインの「光が何ものにも光速度である」という考えだと矛盾だらけになります。ニュートンの光が絶対空間に対しての速度であるとすると、矛盾はなくなります。この場合、光も物質も、空間に対して絶対速度になります。

　ニュートンの考えでは矛盾はなくなりますが、アインシュタインの考えでは矛盾が生じます。その矛盾を解消するために、アインシュタインは時空を持ちだします。それについては次回以降で考えてみます。