光のドップラー効果について

2022/12/11 08:45

　「移動する媒質で起きる光のドップラー効果」こんなことを記述すると特殊相対性理論信奉者に、バカにされそうである。
　しかし、大学でほとんど物理学を勉強しない高校生程度の知識で　実験で起きた事柄と実際に地球で起きた事柄を組み合わせるとドップラー効果が、推測できるのです。
　そして、音では、媒質の移動でドップラー効果が生じますが、光のドップラー効果については、あまり着目されていないようです。
　厳密には、水・鉱石・ガラスなどは、光の媒質ではありませんが、これらが移動したときに、物質中の光速度に変化があり、ドップラー効果が発生していると考えられます。
　これらの移動により、光速度に変化があれば、ドップラー効果が発生している可能性があるのでそのことを考察し、物質の移動でドップラー効果が発生を証明します。
　物質の移動で光速度が変化する実験は、フィーゾーが運動媒質中の光速度を測定した方法（1851年、FN高校の物理）（http://fnorio.com/0132Fizeau_1851/Fizeau_1851.html）
に着目すると水の移動で光速度の変化が観測されています。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　図－1
　フィーゾーの実験を展開し、下記のような実験を行ったとき、媒質を移動した方が、移動速度が速いので　単位時間における光の移動距離が大きいと考えられます。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　図－２
　長さLの水柱を置き、一方の水を速度Vで移動したとき、同時に、棒の端から光を照射し、どちらかの端に、光が到達するまで光を照射し、到達したときの光の状態を見てみましょう。
　水流があるほうが、速度が速いので　先に、棒の端に到達することになり、移動距離が長くなっています。
　　波長λ×振動数ν＝光の速さC
　照射された光の単位時間の振動数（ν）は決まっているので　
　　　静止した水槽の波長＜速度Vで移動する水槽の波長
となることがわかります。
　水を流動させることにより、ドップラー効果が起きているのです。流動する水に観測者がいれば、波長の長い光を観測することになります。

　それでは、真空中で光源・観測者を移動したときの状態を考察してみましょう。
真空中に、長さLの棒とZ軸上に光源を置き、速度Vで移動する光源も用意します。

図－3
　速度Vで移動する光源が、Z軸上に来た時に、両方の光源を点灯し、両方の光源の光が、棒の端に到達するまで光源を点灯したままにします。
両方の光源が、棒の端に到達した時の状態を見てみましょう。

図－４
　Z軸上から照射された瞬間の両方の光は、真空中を速度Cで移動し、棒の端にL／Cの時間で同時に到達します。
　同じ時間L／Cで光源から照射される光の振動数は、一定ですから図－5のように、光路にある光の振動数（波数）は、同じになります。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　図－5
　光の波数が、同じでも光源が移動することにより、光源と光の到達点との距離に違いがあるので　光源が移動したほうの波長が、短くなっていると推察されます。
　光源の移動により、ドップラー効果が生じたのです。
　この現象は、光の速度があまりに大きく、振動数も非常に大きいので、光源の移動速度が、非常に大きく、通常の地球で行える実験では、識別（観測）することはできないと予想されます。
　光の波長が違えば、当然、光の波動方程式も違ってきます。

　次に、観測者の移動で生じるドップラー効果についてみてみましょう。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　図－６
　光源よりL離れた位置に観測者がいます。
　光源を点灯したままにし、光が観測者に到達すると同時に一方の観測者が、光源に向かって速度Vで移動したとします。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　図－７
　同じ時間光を照射したときに、移動する観測者と静止した観測者では、同じ時間で観測する光の振動数が、変化していることになります。
　単位時間で観測する振動数が大きければ、短い波長の光として観測者は、認識するのです。
　ここでもドップラー効果が起きているのです。
　では、移動する電車などでもドップラー効果が起きているのでしょうか？

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　図－8
　電車でも同じ考え方をすると移動する電車の最前列にいる観測者は、止まった電車の観測者よりも振動数の大きい光を観測するのです。
　電車に対するドップラー効果と考えることができます。

　では、移動する電車の中での光の移動状態はどうなっているのでしょう？
　これについては、次に出すブログ「算数で算出できるローレンツ因子・軌跡（虚像）に光速度不変原理を適用したアインシュタイン」を見て、読者の皆さんで判断してください。（ほぼ完成しているので　2～3日程度で掲載予定です。）

　以上のように、光源の移動・観測者の移動・媒質の移動でドップラー効果は、起きるのです。

　反論をお待ちしています。