科学と疑似科学とを判別する - 1524257541

507：Ken：2019/09/18(水) 22:35:31 ID:CbSK8gT6: はじめに粒子の話です。ここに機関銃を搭載した航空機があると思ってください。

まず、航空機が地上に静止した状態で機関銃を撃つと弾丸が飛び出しますが、これを地上に静止した観測者が見ると、300m/sの速度で弾丸が飛んでゆくものとします。次に航空機が100m/sの速さで飛行しながら同じ銃を撃つと、地上の観測者には弾丸は400m/sで飛んでいるように見えます。一方で、自らが100m/sで動いているパイロットが見ると、弾丸は300m/sで前方に飛んでゆきます。もし航空機が500m/sで飛んでも、弾丸に「追い着く」ことはありません。これはガリレオ以来よく知られた相対速度の原理です。

次は、一般的な波の例として音の話をします。教科書等では、音速はｃ＝√（Ｋ／ρ）～Ｋは体積弾性率、ρは密度～と表され、標準的な地球の大気では約330m/sとなります。

まず、先の航空機が地上に静止しながらエンジンをかけると、エンジン音は、地上に静止した人が観測すると、330m/sで360度のあらゆる方向に広がってゆきます。そして、弾丸の場合と異なるのは、航空機が100m/sで飛んでるときも、エンジン音は330m/sの速さで広がることです。ｃ＝√（Ｋ／ρ）は媒質（大気）の特性だけで決まり、音源自体の速度の影響は受けません。

それでは、航空機のパイロットには、音はどのようにみえるかというと、自分の前方には230m/sで、後方には430m/sで波が遠ざかってゆきます。つまり音速は大気に対して一定ですから、観測者が大気に対して動くと、その分の速度が加えられたり差し引かれたりするわけです。超音速機のエンジンとなると凄まじい音を出しますが、最も近くにいるパイロットにはエンジン音が聞こえないことがあります。操縦席がエンジンよりも前方にあると、音が航空機に追い着けないのです。

ここから電磁波の話になります。マクスウェル理論が与える速度はｃ＝１／√（εμ）～εは電気定数、μは磁気定数～となり、真空中では30万キロ/sとなります。音速の式とは形が異なりますが、電気定数と磁気定数という、やはり電磁波が伝わる空間の特性のみで決まります。そして、ここが肝心なことですが、マクスウェル理論に従えば、音の場合と同様に、観測者が動くと、観測される光速も変わるはずなのです。

例えばある宇宙船が地上に静止しており発光信号を出すとします。静止した観測者が見ると光は30万キロ/sで進んでゆくし、宇宙船が10万キロ/sで飛んでいるときに出した光も、地上で見ると30万キロ/sで進みます。つまりここまでは、数値が異なるだけで、音の場合と同じなのです。マクスウェル理論がいう「光速度不変」とは、このように光源が動いても光速は変わらないという意味なのです。

それでは10万キロ/sで飛ぶ宇宙船の乗員が光を観測するとどうなるでしょうか？

マクスウェル理論に従うと、光速はあくまでも空間に対して１／√（εμ）ですから、宇宙船自体が速度を持つとその影響が現れ、前方には20万キロ/sで、後方には40万キロ/sで進むのが見えるはずです。宇宙船の代わりに秒速30キロで動く地球の影響を観測しようとしたのがマイケルソンとモーリーの実験でした。マクスウェル理論を知っていた彼らは、地球の速度が、光速度の観測値に影響するはずと考えたわけです。

ところが実験の結果、地球の速度の影響は観測されませんでした。光の速度は、観測者が動いていても変わらないのです。これは光源が動いても光速が変わらないというマクスウェル理論の「光速度不変」とは全く異なる「光速度不変」の事象です。

そして、この第２の光速度不変こそがローレンツ変換ひいては特殊相対性理論に至る出発点でした。マクスウェル理論がいう「光速度不変」からは相対論にはいたれない、というのが私の理解です。

あるいは私の理解が間違っており、第２種の光速度不変がマクスウェル理論から導けるのかもしれません。それを検証するには、マクスウェル方程式から出発してｃ＝１／√（εμ）にいたる過程を辿ってゆくしかないでしょう。これは学生時代にやったという記憶だけがあるのですが、私の学生時代は30年も昔のことで、詳しい内容は忘れましたし、あらためて数式レベルでのおさらいをするとなると１～２ヶ月も要することが予想されます。課題自体は非常に面白いので、とりあえずファインマンを読み進めてゆけば答えが得られることを期待しています。

最初に述べたように、この問題自体は元々の論点との関連がないので、私からの発言はここまでにします。あるいはdiamonds8888xさんからさらなるご指摘があるかもしれませんが、現時点では私の理解が追随しないでしょう。

次回から上記の２、電磁波がエーテルを必要としないことを、量子論を使わず、相対論までの理論だけで説明ができるか、という話を続けようと思います。