光とともに歩め

１ 　走っているものは時間が遅れる理由について
　アメリカの物理学者ファイマンという人が光時計というのを考え付きました。こんなものです、と絵がかければいいんだけどあしからず。
　まず上下に長い部屋です。どれだけ長いかというと、床から天井まで、１５万キロです。そうです、光が往復すると１秒かかります。
　床に鏡があります。天井に光源があります。この部屋が水平に動いています。
　この部屋の光が往復する様子を部屋の中の人と外の人が観察します。
　何のための実験かというと、相対論で言われている、動いているものは時間が遅れるということをわかりやすく確かめるためです。
　そこで実験です。もちろん思考実験です。したがって実験者の主観どおりにことは起こります。現実にそのとおり起こるかどうかは実験できないのでわからないと私は思います。しかし、当然、実験者はほんとにこのとおりの装置ができたら、このとおりに起こると思っています。
　まず、この実験の紹介を本より引用します。
　最初に、天井の光源から光を真下に発射します。「部屋の中にいる人から見ると、光はまっすぐ下に降り、床の鏡で反射してまっすぐ真上に上る。同じことを部屋の外から見ると、光が天井から出て床に届くまでに部屋が運動しているので光は斜め下に運動して床に届き、そこで斜め上に反射されて天井に届くように見える。」
　したがって、「部屋の外にいる人にとって光が天井と床の間を往復する時間は、部屋の中の人が測る時間よりも長くなる。」「走っている人は時間が遅れる。」となるわけです。理由は、中の人には光はまっすぐ上下だから、３０万キロの間を上下しているので１秒間で１往復になります。しかし箱の外の人には、光は斜めに動くので、往復すると、３０万キロよりも長い距離になります。したがってかかる時間も長くなるということだそうです。
　なるほどなるほど、と言いたいのですが、どうも信じがたいので本当かどうか考えて見ます。なんせ、思考実験ですからね。誰がやったてただですから。
２ 　考察
A 　疑問１
　光は、中の人といっしょに横に移動できるのでしょうか。
　「部屋の中の人から見ると、光はまっすぐ下がり、まっすぐ上がる。」
　これは、走る列車の中でまっすぐ投げ上げたボールはまっすぐ落ちて元のところに戻るというのと同じ現象です。いわゆる慣性の法則を説明するときによく使われる例です。このボールを列車の外から見ると、放物線を描いて飛んでいるのが見えるはずです。ボールは、中の人とともに空中を横に移動しています。
　なぜか上の光の実験はこのボールと同じ現象です。違いは、外から見ると光はＶ時形の光跡を描くけれど、ボールは放物線を描くことぐらいです。光は等速運動だけど、ボールは引力によって加速運動をするから当然のことです。中の人の速度にあわせ横に動くという基本的な現象にはなんら変わりはありません。
　よくわかるように、一度だけではなく、何度も光を往復させてみます。これも、思考実験だから簡単に思ったとおりにゆきます。
　光時計の天井と、床に、百パーセント光を反射する鏡を置いたとします、光はいつまでもその鏡の間を往復しています。すると、こんな現象が起こります。
　光時計が、秒速百キロで東に進んでいると、光もやはり、上下しながら秒速百キロで東に進みます。秒速２５３キロで西北西に光時計が進むと、光もやはり秒速２５３キロで西北西に、上下しながら進んでいきます。
　光時計が、速度を変えたらどうなるのでしょうか。光時計が、カーブしたらどうなるのでしょう。もちろん、そのまま上下しながらついて行きます。「何に対しても常に同じ速度を持つ」のですから。まるで、列車に乗ったお客さんのようです。いや、もっとおりこうさんです。列車が速度を変えたり、曲がったりすると、お客さんはよろめきます。ボールは、どこかへ飛んでいってもとの手には落ちてきません。でも光は平気で列車についていきます。アインシュタインの光速度普遍ではそうなるはずです。
　ボールの場合は、最初から、列車の進行方向に列車と同じ速度を持って運動しています。したがって、投げ上げられても、列車と同じ速度で横にも動くわけです。だから列車の中の人にとってはまっすぐ上がり元の手に落ちるわけです。しかし、ボールを投げ上げてから、電車が速度を変えたり、曲がったりすると、ボールの動く向きや速さと、電車の動く向きや速さが変わってしまうので、元の手には落ちてこなくなります。これを、ニュートンの慣性の法則といいます。
　では、光の場合はどうでしょう。アインシュタインの光速度普遍の原理からは、上のように、おりこうさんなお客さんになるはずです。
　しかし本当にそうでしょうか。私には、とても信じられません。光源は部屋の進行方向に部屋と同じ速度で運動しています。しかし、光は、光源の運動速度によってその方向や速さが影響されることはないから（光速普遍の原理・ボールとはここが完全に違います。）、光は横方向の運動はしないで真下に落ちます。そして真上に上がります。ところが、光源や鏡はその間に横に移動しているので、光は光源の位置には帰って来ないはずです。
　ボールは元の手に戻るけれど、光は元には戻れません。
　地上に対して、ボールは横方向の速度を持っているから、地上に対して実際に放物線を描いて飛びます。でも、光の場合は横方向の速度は持っていないから横方向には動きません。したがって、ボールは列車とともに走り去っていきますが、光は、同じところを上下運動していて、箱だけが光をおいて先へ進んでいくことになるはずです。
　なぜそうなるかというのは、簡単です。ボールは質量があり、光は質量がないからです。
　時速２００キロメートルで走っている新幹線内のボールは、やはり時速２００キロメートルで走っています。ボールは質量があるので、この運動エネルギーを、ボール自体が持ちます。
　では、光ではどうでしょう。光を出す装置は、時速２００キロメートルで横に走っています。しかし、そこから発射された光は質量がないから、その２００キロの運動エネルギーを保存しておくものを持っていません。したがって、光は横方向には１センチも動きません。光のスピードには光源の速度は加算されないわけです。このことを、ボールは、慣性質量を持つ。光は慣性質量を持たないといいます。
　もちろん、相対論は、ニュートンの慣性の法則など問題にしていません。「どの慣性系においても光は３０万キロの一定速度を持つ。」というアインシュタインの理論、光速度普遍の原理から上のことが起こると説明しています。

　では、根本定理である光速度普遍の原理は本当に起こっているのでしょうか。
　相対論では、この光速度普遍の原理が起こる仕組みや、原理について、何一つ解明していません。アインシュタイン氏は、「真空中の光の速度は、何に対してもつねに同じ速度を持ち、なぜそうなのかを問う必要はない。」と突っぱねています。
　では、実際にそれが起こっているという事実が観測されているかというと、どうもはっきりとしたものはありません。それどころか、光は、動くものに対して、まっすぐ落ちないということが観測されてさえいます。
B 　疑問２　
　「部屋の外の人には光は斜め下に運動して床に届き、そこで斜め上に反射されて天井に届くように見える。」か？
　普通に考えると、先ほども書いたように、光は光源の速度に影響されないから、部屋の外の人から見ると、部屋は、中の観測者を乗せてどんどん動いていくけれど、光は同じところにとどまって、まっすぐ上下して見えるはずです。それは、旧態然とした考え方の呪縛から逃れられないせいだというわけです。
　そこで、一歩譲って、アインシュタインの言うように、光はどの慣性系においても同じスピードを持つ（光速度普遍の原理）ということを容認します。
　すると、光は、中の人が見るときには中の人の、外の人が見るときには、外の人の慣性系に入るはずだから、外の人の前でもまっすぐ上下するはずです。アインシュタインは、「何に対しても常に同じ速度を持つ」といっているのだから、ファイマンの考えは間違っているはずです。外の人に光は斜めに見えることにはならないはずです。
　中の人の前で光はまっすぐ上下し、外の人の前でもまっすぐ上下するということです。すると奇妙なことが起こります。中の人は動いているから、光はその人と一緒に上下しながら先へ進んで行きます。その一方、外の人に見られた光は、外の人が動かないものだから、その場でじっとして上下していなければなりません。光はひとつしかなかったのに、二つになってしまったのです。

　これは、光速は一定であるということと、どの慣性系においても、光速度は一定であるということから来る、必然的な矛盾です。
C 疑問３
　光の居場所はどうやってきまるのでしょう
① 問題
　Ａという車とＢという車を準備します。車は左右にすれ違っています。光は、二つの車を貫きます。串刺し状態です。さて、光はどうなるでしょう。
② ファイマンの解答の予測（光速度普遍・どの慣性形でも直進する。）
　ファイマンの考えどおりだと、Aの車に入った光は、Aの中の人の慣性系に入るので、Aに対してまっすぐ進みます。つづいて、Bの車に入った光は、Bの車の人の慣性系に入るのでBに対しても、まっすぐ進みます。
　これを外から見るとどうなるでしょう。
　Aの車に入った光はAの車と一緒に動くので、左斜めに進み、通り抜けてBの車に光が入ると、そのとたんにBの車と一緒に右に動きを変えるので、右斜め方向に進んでいるように見えることになります。外の人から見ると、光はくの字に曲がって動いて見えます。
　世の中には、たくさんの自動車が走っています。この車の中を通り抜けていく光はどうなるでしょう。歩道に立っている人から見ると、光は自動車に入るたびにくねくね曲がっていきます。
　といっても、実際には、人間の目にはこの曲がりはあまりに小さいし、速すぎて見えないから、もし、この現象があったとしても、現実社会の暮らしでこの現象を見極められる人はいません。よかったですね。見えないことはないことだから。
③ ファイマンと少し違う考え方（これも光速度普遍、アインシュタインの相対論の解釈のひとつ）
　では、光は、見る人のいる慣性系によって決まるというならどうなるでしょう。
　Aの車に入った光は、Aの慣性系に入るので、Aの人に対して、まっすぐ進みます。Bの車に入った光は、これまたBの人に対してまっすぐ進みます。ここまではファイマンと同じです。でもここからが違います。外の人がこの光を見ると、光は外の人の慣性系に入るので、外の人に対してもまっすぐ進みます。
　車に乗っている人にとっては、その人に対して光はそれぞれまっすぐに進みます。しかし、外から見ている人にとっても、光は、どの車もまっすぐ貫いて進みます。外の人に対しての光は、地球の慣性系にあるのと同じなので。車に入ろうが入るまいが、関係なく外の人に対してまっすぐ進むからです。
④ これらが現実に起こるとどうなるか
　こんなことが起こります。
　北に進む車に入った光は、その車の人と一緒に北へ動きます。東に動く車に入った光はそのとたん東に動きます。交差点で右折している車に入った光は、その人とともに右折していきます。がたぼこ道でバウンドしている車に入った光は、その運転手と一緒にバウンドします。
　光ってなんて従順なんでしょう。指一本触れないのに、運転手に素直にしたがっていく。まるで、昔の花嫁さんみたい。何でもあなたしだいに染まります。でも、実際は、染められるのはだんなさんのほうだったりして。現実はこの光みたいにはいかないのが常で、だから面白いんですよね。
⑤ 光速普遍で考える（慣性形には影響されず、絶対的に直進する。）
　では、アインシュタインの相対論とは関係なく、「光はただまっすぐ進む」ではどうなるでしょう。
　Aの車の人には、光は車の動きと関係なくまっすぐ進むので光と人の動きに相対的な動きが出るので、車の人には、光はどちらかに斜めに進むように見えます。Aの車が加速されていると曲がって見えます。Bの車でも同じです。Bの動きによって、光は斜めに動いたように見えます。外の人にも同じです。外の人は、地球の動きと同じなので、やはりその動きに影響されます。光は，まっすぐすべてを貫いているのだけれど、車や外の人がふらふら動いているのでその人から見た光は、必ずそれぞれの人の動きにあわせて斜めに進んでいるように見えます。それぞれの人に対して、相対的な速度が変わるのです。
　これは、雨の日に列車の中から、外の雨を見るのと同じ現象です。雨は、前方から後方へ斜めに降っているように見えます。雨はまっすぐ落ちていても、列車の速度によって、雨の角度や速度が変わります。
⑥ 違いのまとめ
上記二つ、アインシュタインの光速度普遍が、人の動きに連携して、光はほんとうに曲がって動くのに対して、旧態然とした、光速度が変化する光速普遍の場合は、光は見かけ上は曲がって動くけれど、ほんとうは光はただまっすぐで、人と車だけが動きます。常識では後のほうです。でも、その常識を破ったところがすばらしいのがアインシュタインの相対論だから、光は人の動きに連携するらしいです。どう思いますか。
D 　光速度普遍はほんとうなのか（光のドップラー効果と、観測者の速度から）
① 　光速度が変化している実例１（光の速度が、観測者に対して相対的に変化している）
　そこで、根本原理である、「光速度は普遍」は現実に存在するのかを検討してみます。　
　観測者Aは、光の進行方向と同じ方向に動いています（光源から遠ざかる）。観測者Bは光と逆向きに動いています（光源に近づく）。すると、Aが見る光は赤方偏移して見えます。Bが見る光は、青方偏移して見えます。この現象は実際によく観測されています。
　ではなぜ、そのような現象が起こるのか考えて見ます。
　まずAです。赤方偏移しているということは、光の周波数が元の光より低くなっているということです。周波数が低くなっているということは、次の光の波の頂点がやってくる時間が遅くなっているということです。では、どうして、波の到達間隔が、元の波より長くなったのでしょう。
　一番考えられることはAに到達する光の相対的速度が、Aが停止しているときより遅くなっているということです。そうすると、ひとつの波の頂点が来て、次の波の頂点が来るまでの時間は長くなります。
　これは、海で波より遅い速度で走っているボートを考えるとすぐ類推できます。
　波と同じ方向に波より遅いスピードで走ると、ボートを追い越していく波と波の間隔は、ボートが止まっているときより長くなります。ボートが速く進み、波のスピードとほとんど同じになると、次の波がやってくるまですごく長い時間がかかります。そのときのボートに対する波の相対的な速度はとても遅くなっています。
　ボートの速度を落とすと、波は次々にボートを追い越していきます。そのときの波は、ボートに対して速くなっています。
　ボートが速くなって、ボートに対しての波の相対速度が遅くなればなるほど、波の周波数（単位時間あたりの波の数）は少なくなっていきます。反対に、ボートが遅くなって、ボートに対しての波の相対速度が速くなると、波の周波数は多くなっていきます。波の周波数は、観測者と波の相対的な速度の変化によると考えられます。
　このことから考えると、Aに対して光が赤方偏移しているということは、Aの動きのためにAに対して、相対的に光の速度が遅くなってしまったからだといえます。
　では、Bではどうでしょう。
　青方偏移しているということは、光の周波数が、Bが停止しているときより高くなっていることです。同じように波に向かって走るボートを考えると、同じように、Bに対して、光の速度が相対的に速くなっていることが類推できます。
　観測者が停止していて、光源が動くときのドップラー効果も同じ原理で考えられます。このときも、光の絶対速度（真空に対する速度）は変わらないけど、光源に対する光の相対的な速度は変わります。そのためにドップラー効果が起こっているのです。
　このことから、光は、観測者や光源の速度によって、相対的な速度を変えているといえます。どのような速さで動いている観測者に対しても、光は常に３０万キロであるというアインシュタインの「光速度普遍の原理」はこのことで潰えます。アインシュタインの言うように光速度が普遍なら、光のドップラー効果は観測されないはずです。　
　光速度が変わるなら、がたぼこ道の車に入った光も、車と一緒にバウンドするなどというばかげたことをしなくてすみます。光はただまっすぐ車を突き抜ければいいのです。バウンドするのは、運転手だけですみます。
② 光速度が変化している実例２（ドップラーレーダー）
　先日の朝日新聞の記事に、降水確率を上げるためにドップラーレーダーを設置するという記事がでていました。レーダーで電波を当てると、雨粒が動いていると、電波にドップラー効果が現れるという現象を利用して、雨雲の動きをより正確に知ろうということだそうです。電波も、これまで述べたように、電磁波なので光と同じと考えられます。その電波にも、ドップラー現象が現れるというのです。これも、電波が、雨粒に当たる速度が相対的に変化すると考えれば簡単に説明がつきます。
③ 　光速度が変化している実例３（光行差）
　光行差という現象が観測されています。
　どのような現象かというと、星から来る光が、みんな斜めに地球にあたっているいるという現象です。これは地球が、宇宙空間を、およそ秒速４００キロメートルで動いていることから来る現象だそうです。上で書いた、列車に雨が斜めに当たっている現象と同じです。
　相対論では、動いているものにも、光はまっすぐ進むことになっています。ところが、動いている人に対して、光も斜めに動くということは、ファイマンの光時計が間違いであるというばかりではなく、相対論の根源が、事実とあっていないことになります。これは、光速度が、相対的に変化するという直接的な証拠でもあります。変わるのは、光速度であって、時間ではないということです。
④ 　光速度が変化しないという実例（マイケルソンとモーリーの実験）
　この実験で、光速度普遍が証明されたという人もいるが、アインシュタイン自身はそれを確証したとは言っていない。また、この実験を彼自身が追試したとも聞かない。
　また、その他の光速度普遍を確認する実験も行われたとは聞かない。
E 　光の速さは不変か（おまけ）
　では光の速さのほうはどうでしょう。光の速さは不変だといっても、光も空気中や水の中では、スピードが落ちます。これは、カミオカンデの、有名なニュートリノの観測でもはっきり観測されています。ダイヤモンドの中では真空中の５分の２とめちゃ遅くなるそうです。
　０４年１月７日の朝日新聞には、電磁波を閉じ込めることに成功したという記事が載っていました。電磁波を箱の中に停止させることに成功したということです。光も電磁波だから、いずれ光も閉じ込めることができるだろうとのことでした。
　光速普遍というときには、必ず「真空中では」という但し書きが着いています。光の速さも不変ではないわけです。ボールや、音となんら変わりがないということです。
　「光が止まるなどということがあっては困る」と始まった相対論だけど、ここにいたって科学は光を止めてしまいました。草葉の陰で、アインシュタイン氏はさぞ困っていることでしょう。
　でも、困ることは何にもないんですよ。サアファーは波に乗ってすっとんで行きます。彼から見れば波は止まっています。だからって波がどうにかなってしまうってことはないみたいです。同じように、光の波に乗って光と同じ速さですっ飛んでいって、光の波が止まって見えても、それで光がどうにかなるって事はないはずです。　
３ 　結論（光速度は変化する）
　光時計の箱に乗ってる人には、ファイマンの想定したのとは反対に光が後ろ斜めにＶ字の光跡を描いて遠ざかっていくのが見えるはずです。列車から見える景色が遠ざかっていくのと同じ見え方です。上に書いた光行差の現象です。
　外の人にはまっすぐ上下して見えます。したがって、「部屋の外にいる人にとって光が床と天井の間を往復する時間は、部屋の中の人が測る時間よりも短くなる。」「走っている人は時間が早くなる。」のを見ることになるかもしれません。
　しかし、そうではありません。箱の中の観測者が光をＶ字形に見るのは観測者と光の相対的な速度が変わっているからです。
　　したがって、運動によって時間は伸び縮みしない。とんてんぱらりん、ポッポー。
　２００４年１月１２日　妹空並刻記
落し物は光
独楽を回して遊びましょ
王様は裸だ！目次