「光速度不変原理」は、簡単な思考実験で論破された

2021/06/13 06:29

　「光速度不変の原理」は、1905年にアインシュタインが、「互いに等速度運動をするすべての観測者からみて、光源の運動によらず真空中の光速度は常に一定の値をとる」という原理を提唱し、「特殊相対性理論の基本原理」としています。
　この考え方は、連星や星などの動きなどと地球での観測結果と光の波動方程式が、ガリレイ変換で不変でないことなどから推察されたものと思われます。
　この原理について物理学者の皆さんも疑うなどしないと思います。
　原理ですから　絶対的な存在です。
　私は、特殊相対性理論の矛盾について　何度もブログに投稿し、運動系の光を静止系で観測すると光の軌跡を見ていると指摘しましたが、このことは、アインシュタインが考えている「光速度不変原理」そのものが間違った考え方だったことを示しているのです。
　このブログでは、簡単な思考実験で　アインシュタインが考える「光速度不変原理」の矛盾を指摘し、併せて、波動方程式が、なぜ、ガリレイ変換で　不変にならないか等の説明をします。

　アインシュタインの考え方は、１９０５年の論文「運動物体の電気力学」(アインシュタイン論文選　「奇跡の年」の５論文　青木薫訳　ちくま学芸文庫)と１９１６年に出版された著書「特殊および一般相対性理論について」(金子務訳白揚社)の中で詳しく説明が行われています。
　アインシュタインは、論文の中で静止系の光と静止系を移動する棒の同期を使用して　慣性系間の同時性を否定しています。
　この思考実験を利用して光速度不変原理の矛盾を指摘してみましょう。
　最初に、アインシュタインの考え方を見てみましょう。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　図－１
　静止系に長さLの棒を置き、両端に観測者と時計を配置します。
　光をA点から照射すると同時に、棒を速度Vで移動します。
　光がB点に到達した時間とB点で反射され、A点に戻った時間で時計が同期しているかどうかの判断をしています。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　図－２
　棒と共に移動する観測者は、光の移動時間
　　ｔB－ｔA＝Ｌ／(Ｃ－Ｖ)
　　ｔ’A－ｔB＝Ｌ／(Ｃ＋V)
を観測し、時計が同期していないことを観測します。
　一方、静止系の観測者は、静止系に設置した棒では、同期ができることより、慣性系間の同時性を否定しています。
　「光速度不変原理」の考え方では、運動系の光を静止系で観測すれば、Cなので　静止系の光に置き換えることができます。
　また、アインシュタインは、剛体(棒)に固着した座標系を考え、棒を運動系と考えています。
　この思考実験を運動系と静止系の光を別々にして　検証してみましょう。
　速度Vで移動する運動系を明確にし、運動系にも棒を静置し、光を照射して　その時の観測者が観測する時間も見てみましょう。
　運動系の棒と共にいる観測者は、運動系に静止しているとします。
　運動系と静止系に光を照射すると同時に、静止系の棒と運動系が、速度Vで移動したとします。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　図－３
　運動系と静止系は、表裏一体なので運動系を静止した状態で考察します。
　静止系を移動する棒は、運動系と同じ速度Vで移動しているので　運動系に対して静止した状態になります。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　図－４
　運動系の観測者は、運動系に静止した棒と光で　時計の同期をすることができ、
　ｔB－ｔA＝Ｌ／Ｃ
　ｔ’A－ｔB＝Ｌ／Ｃ
の時間を観測します。
　静止系にある棒と共に、静止系を移動する観測者は、運動系の棒の観測者と同じ位置にいるので　運動系の観測者と同じ状態を観測するので運動系の光で時計の同期をすることができます。
　一方、静止系の光では、棒と共に移動する観測者は、アインシュタインの指摘のように、同期することができません。
　静止系を移動する棒の観測者は、運動系の光に対して移動していませんが、静止系の光に対しては、移動しています。
　光に対して静止している場合と移動する場合で　時計の同期ができる場合とできない場合ができているのです。
　運動系と静止系という考え方をしたら　静止系を移動する棒の観測者にとって　運動系の光と静止系の光は、違うものなのです。
　運動系の棒の観測者も静止系の棒の観測者と同じ観測をするので　運動系の光と静止系の光は、別のものとして観測します。
　宇宙空間を地球と同じ速度で移動する棒があったら、地球の光では、同期できるが、宇宙空間の光では、同期できない現象が生じると考えることができます。
　このような観点から　運動系の光と静止系の光は、別物なのです。アインシュタインが提唱した光速度不変原理とは、違った結論が得られたのです。
　「特殊相対性理論の基本原理」すなわち、「互いに等速度運動をするすべての観測者からみて、光源の運動によらず真空中の光速度は常に一定の値をとる」という考え方は、光に対して移動した場合と静止した場合では、違ったものになり、すべての観測者からみて一定の値にはならないのです。
　光は、光源の運動によらずその系の真空中の伝搬速度は、常に一定の値をとりますが、互いに並進運動をする違う系の観測者からみて一定の値にはならないのです。
（私の推論：光は、音と同じように、振動の伝搬だから　光源の速度によらず、その系を一定の速度で伝搬する。物質が、移動していないので系の伝搬物質の状態によって伝搬速度が決まる。観測者が、伝搬物質の中を移動すれば、音と同じように、その移動速度の影響を受ける。
　振動エネルギーの伝搬　光子の移動ではない。
　マイケルソン・モーリの実験結果は、地球という系が、存在することを示唆している。地球の何か（重力・大気・電離層・オゾン層・etc）が影響？　宇宙空間を移動するロケットの外部で　マイケルソン・モーリの実験を行ったら違う結果が得られるかもしれない。
　フィーゾーの実験で、水流が変われば、光速度が変化するということは、媒質が移動しているか伝搬速度に影響を与える何かが、移動している。)

　アインシュタインは、特殊相対性理論の根幹部分の運動系の光の移動の事象を静止系に座標変換するときに、静止系に光速度不変原理を適用し、運動系の光の速度を静止系の光に変えています。
　そして光の移動時間より、ローレンツ変換を算出しています。これについても検証してみましょう。

　アインシュタインは、論文の中で運動系の原点を出た光が、χ’(距離をLとする)で反射され、原点に戻る事象の座標変換の思考実験をしています。
　これは、上述の棒の同期の事象を座標変換という形にしたのと同じで　観測される時間は、同じ時間が使用されています。（χ’の棒を光が移動すると考えれば）　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　図－５
　ここで、静止系に光速度不変原理を適用し、静止系で観測される右方向の光を図－６のように考察し、静止系で観測される運動系の光の移動時間を
　　ⅭΔt＝χ’＋ⅤΔt　　　　　
　　Δt＝χ’／（Ｃ－Ｖ）
で算出しています。そして、この時間を下式に引数として代入し、得られた結論からローレンツ変換を算出しています。
　１／２（τ₀＋τ₂）＝τ₁　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　図－６
　上述の同期で示しましたが、運動系の光と静止系の光の速度は、静止系で観測すると異質のものです。
　しかし、アインシュタインは、静止系で観測される運動系の光の軌跡を静止系に光速度不変原理を適用するとして　静止系の光で考察しています。
　しかし、静止系と運動系に観測者を配置するとこのピンクの線が、軌跡であり、アインシュタインが考察した時間に矛盾が生じるのです。
　運動系のχ’の位置に観測者Ｏ・Ｐを配置し、運動系の光が、照射されたと同時に、観測者Ｐは、速度Ⅴで移動方向とは、逆に移動します。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　図－７
　静止系には、χ’の位置に観測者Ｑ・Ｒを配置し、運動系に光の照射と同時に、観測者Ｒは、運動系の移動方向に、速度Ⅴで移動します。
　この時、運動系の光が、観測者Ｐに到達した状態を見てみましょう。　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　図－８
　運動系と静止系は、表裏一体なので　運動系を静止系として観測すると図－８のような状態が観測されます。
　観測者Pに光が到達する時間tpは、原点とχ’の距離をLとすると
　　Δtp＝(Ｌ－ⅤΔtp)／Ⅽ
　　Δtp＝Ｌ／(Ⅽ＋Ⅴ)
となります。
　ＰとＱは、運動系に対して同じ動きをし、相対的な位置関係も同じなので　ＰとＱの観測結果は、一致します。
　つまり、運動系の光が、Ｑの位置に到達する時間は、Δtq＝Ｌ／(Ⅽ＋Ⅴ)となります。
　この時、静止系の光(静止系の赤の線)は、ⅭΔtqしか移動していないのです。
　アインシュタインの考えた運動系の光に静止系で光速度不変原理を適用した軌跡の移動時間Ｌ／Ｃより早く運動系の光は、系が移動した分　観測者Ｑに、早く到達しているのです。　
　次に、光が、Ｌ進んだ時の状態を見てみましょう。　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　図－９
　観測者Ｏは、光が到達する時間Δto＝Ｌ／Ⅽを観測します。
　ＯとＲは、運動系に対して同じ動きをし、相対的な位置関係も同じなので　ＯとＲの観測結果は、一致します。
　つまり、運動系の光が、Ｒの位置に到達する時間は、ΔtＲ＝Ｌ／Ⅽとなるのです。
静止系の光も　ⅭΔtＲ＝Ｌ　(赤の線)しか移動していないのです。
　アインシュタインは、ピンクの光の軌跡に光速度不変原理を適用し、静止系で運動系の光がＬ進む時間を
　　ＣΔt＝(ⅤΔ＋Ｌ）／Ｃ
　　Δt＝L／(Ｃ－Ⅴ）
と考察しています。
　本来、Ｌ／Ｃの時間になるはずの時間を運動系の光の軌跡に、光速度不変原理を適用したために、Ｌ／(Ｃ－Ⅴ）になったのです。
　このように、特殊相対性理論の根幹部分の最も重要な思考実験で、大きな誤りをしていたのです。
　アインシュタインの間違った思考実験により、時間の矛盾が生じ、その時間の矛盾のままに理論展開が行われ、ローレンツ変換・時間の遅れ・同時刻線などの考え方などが導き出されています。
（今も、国立大学などで「時間の遅れによる重力波のゆがみ」などの研究が行われています。
また、授業や研究など多くの無駄な労力が今も使われています。
馬鹿な私よりも聡明な多くの物理学者の皆さんが、なぜ、このことに疑問を感じ、是正しなかったかが不思議でなりません。
学校で教えられたことは、絶対なのでしょうか？（私のボヤキ））

軌跡について
　それでは、軌跡について考察してみましょう。
　これ以降の内容は、ブログ「アインシュタインの論文の座標変換における同一地点の時刻の不一致」（https://yoko3210go.muragon.com/entry/71.html）に記載した内容を転載しています。(一部追加・削除)

　まず、軌跡の生成速度を見てみましょう
　電車の光が距離L移動するのに要する時間をΔtとすると
　光がΔt／２進んだ時　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　図－１０
　電車（Ｚ’軸）の左側の軌跡の長さは、ⅤΔt／２となり、
　右側の長さは、CΔt／２となり、軌跡の長さは、
　　D＝（V＋C）Δt／２
となります。
　光がＬ進んだ時　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　図－１１
　電車の左側の軌跡の長さは、ⅤΔtとなり、
　右側の長さは、CΔt(＝Ｌ)となり、軌跡の長さは、
　　D＝（V＋C）Δt＝VΔt＋Ｌ
となります。
　電車の移動速度を２倍にすると　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　図－１２
　電車の左側の軌跡の長さは、２ⅤΔtとなり、
　右側の長さは、ⅭΔtとなります。
　軌跡の長さ（Ｄ)は、
　　Ｄ＝(２Ⅴ＋Ⅽ)Δt＝２ⅤΔt＋Ｌ
になります。
　アインシュタインは、静止系に光速度不変原理を適用し、
　　ＣΔt＝ⅤΔt＋Ｌ
から移動時間を算出していますが、
　　ⅤΔt＋Ｌ＝(Ⅴ＋Ⅽ)Δt
なので、
　　　ＣΔt＝(Ⅴ＋Ⅽ)Δt
となり、Ⅽとは、違った速度を持った軌跡の速度を光速度不変原理を静止系に適用したために、Ⅽにしているのです。
　生成速度がＣでないものをＣにしたために、時間の矛盾が派生したのです。
　特殊相対性理論の根幹となる根本的な間違いなのです。

　次に、静止系の観測者が、観測する光についてみてみましょう。　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　図－１３
　電車の光を静止系の観測者Pが観測するとき、横方向の光を直接観測することはありません。すべて自分に向かってくる光として観測します。
　自分に向かってくる光の伝搬速度はⅭですが、電車の中や宇宙空間の横方向の相対速度は、計測したことがありません。
　電車の中の伝搬速度がⅭであっても地上で観測する軌跡は、光そのものではないので　決して速度Ⅽなどにならないのです。

　ここで、物理学者の皆さんの中には、光の波動方程式が、ガリレイ変換できないから　一つの光と考える方がいらっしゃると思います。
　これに関しては、「特殊相対性理論で同時刻線が複数できる現象」（https://yoko3210go.muragon.com/entry/72.html）等で説明していますが、再度説明します。
　観測者Ａ・Ｂが、光源から同じ距離離れた位置にいたとします。光が、Ａ・Ｂに到達したと同時に観測者Ｂは、光源に向かって速度Ⅴで移動したとします。　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　図－１４
　この図は、観測する光の波数(振動数)を模式的に書いています。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　図－１５
　観測者Ａは、単位時間に波の谷を４個観測し、観測者Ｂは、６個観測するのです。
　速度Ｖで移動する系で観測した場合、観測者Ｂと同じ状態を観測します。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　図－１６
　Ａが観測する単位時間当たりの光の波数とＢ・Ⅽが観測する波数は同じですか？
　Ｂ・Ｃは、Ａよりも波数（振動数）が大きい光を観測するのです。
　一種のドップラー効果です。計算はしていませんが、光の速度が大きすぎるので地上でドップラー効果の観測はできないと考えられます。(測定精度がない？、私の想像）
　波動方程式は同じですか？
　当然のことながら振動数が変化すれば、波動方程式は変化します。
　波動方程式が、ガリレイ変換で不変でないのは、当たり前の事なのです。
　
　以上の事柄より、アインシュタインが提唱した「光速度不変原理」すなわち、「互いに等速度運動をするすべての観測者からみて、光源の運動によらず真空中の光速度は常に一定の値をとる」という考え方は、「光源の運動によらずその系の真空中の伝搬速度は常に一定の値をとる。」に変更する必要があります。
　また、これにより導き出されたローレンツ変換・時間の遅れ・運動物体の収縮・ミンコフスキー図など架空の理論なのです。

　物理学者の皆さんのご意見、反論をお待ちしています。
　私は、物理学者ではないので、私ができることは、このブログの内容を多くの物理学者の皆さんに見ていただき、その結果として「特殊相対性理論・光速度不変原理の矛盾」が、訂正されることを願っているだけです。
　私と同じように「特殊相対性理論・光速度不変原理」に矛盾を感じた方は、多くのご学友やご同僚とこのブログの内容について議論していただき、より多くの物理学者の皆さんに、この矛盾を認知していただきたいと願っています。