科学と疑似科学とを判別する - 1524257541

218：diamonds8888x：2018/12/01(土) 10:52:20 ID:VpbMj7yA: >>217
【補足】光速度不変とエーテル

　エーテルの存在が光速度不変の観測により反証された、と簡潔に述べるのでは少し説明不足で気持ち悪い気がしてきましたので、改めて何がなされたのかを考察してみました。というのも、相対性理論の基になっている光速度不変の原理は光が波だろうが粒子だろうが、それまでの常識に反する原理だからです。

　マイケルソン・モーリーの実験は、地上というひとつの慣性系に固定された光源と鏡との間を光が往復する時の速度を測定しています。より正確には、この往復行路の方向が異なる２つの場合の速度差を測定しています。このとき粒子説と波動説とでは次のような理論的予測の違いが生じます。

・波動説　光速度は波を伝える媒体(エーテル)に対する速度になる。
　　ゆえに、地球と媒体(エーテル)の相対速度が違えば、地球に対する光速度は異なって観測される。

・粒子説　光速度は光源に対する速度になる。
　　ゆえに、地上に固定された光源からの光の速度は、地上に固定された観測者による観測では常に一定である。

　しかしマイケルソン・モーリーの実験の時点では光が波であることは確定していました。何しろ２つの光路の間の速度差を検出した方法が、光が波であることの証である干渉性を使っているのですから。だからこの実験は波動説の反証というよりは、２つの観測事実つまり、光の干渉性の存在とマイケルソン・モーリーの実験の否定的結果との矛盾ということになるのです。

　言い換えると、光は波のように干渉をするにもかかわらず、まるで粒子のように光源に対して常に一定の速度になっていたことが観測されたのです。

　さて相対性理論の基となる光速度不変の原理、つまり光源に対する速度も光源に対して相対運動している観測者が観測した速度も同一である、という法則の検証はどうすべきでしょうか？まず現代のレーザー距離計では正確な時間間隔で光源を明滅させることで短い距離でも反射体までの往復時間が測定できます。使い方としては、光速度が一定として距離を知るわけです（wikepediaの「光波測距儀」参照）。そして光速度不変の検証には例えば次のような方法があります。

　・静止した光源が横方向に光を発する。例えばパルス光を発する。
　・光と同じ方向に速度ｖで移動する受光器でパルス光を受けて、発光時刻と受光時刻から光速度ｃを求める。
　
　この実験では光の本体が何であれ、受光器が受ける光の速度は(ｃ－ｖ)と予測されます。ところが不思議にも受光器での測定結果は変わらずｃであった、というのが相対性理論の基となる光速度不変の原理です。よくよく調べると、なんと受光器に固定された時計の進み方が地上や光源に固定された時計とは違っていたのでした！

　マイケルソン・モーリーの実験が検証しようとした理論の本質はむしろ次のようなことだと考えられます。

　マクスウェルの理論によれば光速度は真空の誘電率εと透磁率μのみにより(１／√εμ)となります。光速度が相対速度により変化するという事は、εやμという定数が相対速度が異なる観測者から見ると異なるということになります。音波の速度は(１／√ρ：ρは密度)に比例しますが、この音速は音が伝わる媒質に対する速度ですから、相対速度により媒質の密度が変化するなどと考えなくてもよいのです。マクスウェルの理論と光速度が変化するという仮定を組み合わせると、観測者により真空の性質が変化するというちょっと奇妙な結論が得られるのです。これは光の伝達を支配する要因を、エーテルの性質と呼ぼうが真空の性質と呼ぼうが同じことです。それとも電場と磁場の性質と呼んでも同じことです。

　アインシュタイン自身も相対性理論を考えたのは、マイケルソン・モーリーの実験を受けてというよりも、マクスウェルの理論が内包する矛盾の解消のためという方が大きかったとの趣旨のことを言っていたそうです。

　まあ相対性理論は真空の性質というか、時空の性質が観測者により変化するという理論ですから、εやμが変化するというよりももっと過激な仮定だったと言えるかも知れませんね。