やさしい物理講座ｖ39「光時計の思考実験の検証（再解説・掲載）」
量子力学では、電荷を持つ２つの物質の間には電磁力が働く。電磁力を伝えるゲージ粒子は光子（フォトン）であり、同様に質量を持つ２つの物質の間には重力（万有引力）のゲージ粒子が「グラビトン（重力子）」と分類され命名されている。4つの力の交換子（フォトン、ウイークボソン、グルオン、グラビトン）のうち、未だ発見されていないのがグラビトン（重力子）のみである。
慣性の法則や慣性力は何に力を及ぼすか。これが重要なポイントである。
結論から申し上げますと「質量」のある物質である。
素粒子は場の概念で理解されるが、質量のある素粒子と質量のない素粒子がある。
質量のない素粒子に光粒子（電磁波）が上げられる。つまり、光粒子には慣性質量・重力質量には該当しない素粒子（場の概念）というのが吾輩の見解である。今年の親族の新年の集まりで、「時間の概念（時間が遅くなる）の話題が出た。一般人も、物理学界（大学の講義）の「特殊・一般相対性理論」に疑義を持っていることが分かった。そこで、一般の大学の講義での疑義の解消のために今回はその理論の原点に立ち戻って解説する。
2022.01.03
さいたま市桜区
理論物理研究者 田村 司
お断り（将来ある賢明な学生諸君に）
大学の物理の講義では、「重力で光が曲がる。重力が空間を歪めるので歪んだ空間を光は直進するので、『重力は直進する光の進路を曲げる』（ミンコフスキー空間）、空間のみならず、時間に関してまで重力は『時間を遅らせる』（ローレンツ変換式）などと解説してこれを「正しい法則」として解説しているのが現実である。
反論、異議を申し立てると単位や学位は取得できないことを申し添える。
人間社会において、賢明生き方は権威・権力の「長い物には巻かれろ」的に対応することが必要がある場合も多い。
権威や権力に押しつぶされた事例として、彼の有名なガリレオ・ガリレイがいる。「それでも地球が回っている」と非難した「天動説」で異端者の宗教裁判で裁かれた彼がやっと名誉回復したのは、1965年にローマ教皇パウロ6世がこの裁判に言及したことを発端に、裁判の見直しが始まった。
最終的に1992年、ローマ教皇ヨハネ・パウロ2世は、ガリレオ裁判が誤りであったことを認め、ガリレオに謝罪した。しかし、ガリレオが1642年に77歳で息を引き取ってから実に350年後のことである。
もし、吾輩の解説に賛同されたとしても、大学の権威には在学期間中は逆らうことなく、無難に過ごすことを申し添える。多分、正しい理論に変わるまで350年以上の歳月を要するであろう。呵々。
質量の定義と光粒子の質量「０」からの考察
質量とは、物体の動かしにくさの度合いを表す量のこと。次元としては、主に一次元の時間軸を伴う三次元の物体を扱うことが多い。
慣性質量
慣性質量はニュートンの運動方程式において導入される量である。 物体に作用する力 F と物体の加速度 a の比例係数として次の様に表される。
mは質点の質量、rは質点の位置、aは質点の加速度、Fは質点にかかる力、 ｔは時刻である。
これは実際に実験を行い、物体を（ばねの変形などによる）既知の力で引っ張ったときの加速度を調べ、比例係数を計算することで求められる。慣性質量は物体の動きにくさ（あるいは止まりにくさ）を表す値であるといえる。
加速度の定義
単位時間当たりの速度の変化率。速度ベクトルの時間的な変化を示すベクトルとして、加速度が定義される。
光速の定義
光速度とは、光が伝播する速さのことである 。真空中における光速の値は 299792458 m/s（約30万km/s）と定義されている。
マクスウェルの方程式によれば、電磁波の伝播速度は次の関係で与えられる。
（c は一定）
こで、ε0 は真空の誘電率、μ0 は真空の透磁率である。ジェームズ・クラーク・マクスウェルはこの式を観測ではなく理論から導いたが、判明していた値 ε0 = 8.85 × 10−12 N/V2、μ0 = 1.26 × 10−6 N/A2 を代入すると、真空中の電磁波の速度が約30万 km/sとなり、フィゾーが測定した光速度とほぼ一致した。
光は加速することもなく、一定値「ｃ」で伝播するのであり、加速を受けて速度「ｃ」に到達するのではない。光子という素粒子の分類ではあるが前述したように電磁波として伝播するのであり、質量「０」であるから光を加速させることもできないし減速させるなどの慣性力を働かせる運動力の作用を加えることができない。
そのような慣性力を働かせることのできない光子に慣性力を働かせたアインシュタインの思考実験と言うものが次の図である。
「光子時計」の思考実験の再現
「光子時計」の前提は光を「粒子」として捉えて、その「粒子」の上下運動により「時間」刻むものとして、V1の速度で移動すると「時間の遅れ（time dilation)」が発生するという（思考）実験をしている。ここで光速ⅽは一定であるという前提条件のため、ピタゴラスの定理 A²＋B²＝C² が成り立たないと主張し、速度V1で光時計を移動する観測者にとって「空間の物の長さを縮め」「時間が遅れる（time dilation時間の伸び)」の理由であると結論付けたのである。
👇光時計ｔ₆
👇光時計ｔ₅
👇光時計ｔ₄
👇光時計ｔ₃
👇光時計ｔ₂
👇光時計ｔ₁
👇光時計ｔ₀
光源｜ーーーーV1速度で移動（距離 B）-----・・・・→｜
1、縦の「光時計」を右にＶ１の速度で移動させた距離・・・B
２、縦の「光時計」の下から上まで「光粒子」が移動する距離
（静止しているときの距離）・・・A
３、光粒子が軌跡上（赤い線）を「光速度ⅽ」の速度で
移動すると想定する距離・・・C
ピタゴラスの定理 A²＋B²＝C²
光速度不変の原理を当てはめると光源から発した光子（素粒子）は、時間の遅れ（time dilation) ーt が生じると主張。
ｔ ＝ｔ₀／ √（１－ｖ²/ｃ²）
質量「０」の光子に慣性力を働かせた思考実験の錯誤
「A²＋B²＝C²ーt」この数式が成り立たないことは、質量０の光子（素粒子）は、伝播するときに、電磁波として速度ｃで伝播するのでV1で移動する光子は慣性力が働かないので下の図のように時計として機能しないのである。
「時間の遅れ（time dilation時間の伸び）」という概念が成立しないのである。
理論の破綻である。
つまり、時空の概念自体が机上の空論である。
👇光子ｔ₆ 👇光時計ｔ₆後
👇光子ｔ₅
👇光子ｔ₄
👇光子ｔ₃
👇光子ｔ₂
👇光子ｔ₁
👇光子ｔ₀
解説、光には慣性力が働かずに、光源から出た光はそのままｔの時間の経過に従い、光子時計の下から上へ、「👇光子ｔ₀👇光子ｔ₁👇光子ｔ₂ 👇光子ｔ₃ 👇光子ｔ₄👇光子ｔ₅👇光子ｔ₆ 」と移動するのである。 光時計ｔ₆後には光子は存在しないのである。
なお、厳密に考察するなら、光源から発した 👇光子ｔ₀はV1の速度で横ドップラ効果を起こしている。その後の👇光子ｔ₁👇光子ｔ₂ 👇光子ｔ₃ 👇光子ｔ₄👇光子ｔ₅👇光子ｔ₆もすべて横ドップラ効果をおこした変形した波長の光が伝播することになる。
縦の光時計を横にした光時計の思考実験
横の光子時計は左からから右へ、「👇光子ｔ₀👇光子ｔ₁👇光子ｔ₂ 👇光子ｔ₃ 👇光子ｔ₄👇光子ｔ₅👇光子ｔ₆ 」と移動するのであるが 光源から発した 👇光子ｔ₀はV1の速度でドップラ効果を起こして変形した波長そのまま伝播するのである。光源の観測者からみたら 赤方偏移した波長で右で反射して折り返した波長は青方偏移することになる。
一般常識で理解できる理屈がなぜ詐術に嵌るのか
実証なしで、ローレンツ変換式やミンコフスキー空間により解説して、混乱している間に次の詐術を考える。
光時計の思考実験でもっともらしい仮説の正当性を解説する。
⇩
光子の質量「０」で慣性力が働かない
⇩
光時計の思考実験の間違いを修正せず
光源の移動速度は時間と空間（時空）を歪める
⇩
重力が光を曲げると主張
⇩
「光子の質量「０」に重力が働かないので
光は重力により曲がらない」の反論に
⇩
重力は空間を歪める、そして、時間も遅くすると主張
故に直進する光も重力で曲がると反論
慣性系の地上で、電車内のボールの実験
運動する電車内でボールを真上に上げた運動は電車内での運動（慣性系１）は上下運動をするが、線路を走る電車の中のボールを電車の外から見ると放物線を描くこと（慣性系２）が良く知られている。これは、ボールには質量があり、慣性力が働くことで起きる現象である。
残念ながら、光子（素粒子）はボールのような質量を持たないので、慣性力が働くボールの動きはしないのである。「光思考実験」のような慣性力を運動する光源から受けないのである。
未だ高名な物理学者の著書には光子の質量「０」に焦点を当てての論説がない。
そのような光子を質量のある物質と同様であるとの矛盾を抱えたままに論説を進めたものが特殊相対性理論であり、一般相対性理論である。
当然に、運動する物体は時間が遅くなる（time dilation)現象は理論的には起こらないのである。
参考知識（時間・秒の定義と摂動の意味）
he second, symbol s, is the SI unit of time. It is defined by taking the fixed numerical value of the caesium frequency ∆νCs , the unperturbed ground-state hyperfine transition frequency of the caesium 133 atom, to be 9192631770 when expressed in the unit Hz, which is equal to s−1.
和訳：秒（記号は s）は、時間のSI単位であり、セシウム周波数 ∆νCs、すなわち、セシウム133原子の摂動を受けない基底状態の超微細構造遷移周波数を単位 Hz（s−1 に等しい）で表したときに、その数値を9192631770 と定めることによって定義される。この補則は SI 秒の定義が、黒体輻射により摂動を受けないセシウム原子に基づいていることを明確にしている。
すなわち、周囲環境が熱力学的温度で「0 」K である。
摂動とは、一般に力学系において、主要な力の寄与（主要項）による運動が、他の副次的な力の寄与（摂動項）によって乱される現象である。摂動という語は元来、古典力学において、ある天体の運動が他の天体から受ける引力によって乱れることを指していたが、
その類推から量子力学において、粒子の運動が複数粒子の間に相互作用が働くことによって乱れることも指すようになった。
なお、転じて摂動現象をもたらす副次的な力のことを摂動と呼ぶ場合がある。
参考文献・参考資料
√(ε<sub>0</sub>×μ<sub>0</sub>)=1/ c「誘電率×透磁率の平方根が1/光速」となる理由 (fc2.com)
やさしい物理講座ｖ38「大阪府立大手前高校生の研究論文『蜃気楼』：吾輩の査読は評点A（優良）です。」｜tsukasa_tamura｜note
運動する媒質中の光速度｜tsukasa_tamura｜note
光の屈折 ～ 光はなぜ曲がるの？光の入場行進 | ひげおじさんの「おうち実験」ラボ (higeojisan-lab.com)
蜃気楼、気体の密度による屈折率
2014S32.pdf (otemae-hs.ed.jp)
大阪府立大手前高等学校 – 本校は創立130年を越えた歴史ある高校です。平成20年、文部科学省により「スーパーサイエンスハイスクール」に指定されました。 (otemae-hs.ed.jp)
矢沢サイエンスオフィス編集 『最新 宇宙論』学研 1989.6.1 第4刷発行
やさしい物理講座ｖ31「ブラックホールが宇宙空間ガス物質で作り出す現象の光の屈折」｜tsukasa_tamura｜note
やさしい物理講座ｖ25「数学者も解けない物理学における三体問題と摂動の解（怪）」｜tsukasa_tamura｜note
やさしい物理講座ｖ16「光粒子（素粒子：電磁波）と物質の相互作用」｜tsukasa_tamura｜note
やさしい物理講座ｖ23「運動している物質中の光の振る舞い」｜tsukasa_tamura｜note
郡和範著 『ニュートリノと重力波』べレ出版 2021.2.25 初版発行
阪上孝・後藤武 編著 『はかる科学』中公新書 2007.10.25発行
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小暮 陽三 著『物理のしくみ』日本実業出版社 1994.10.15 8刷発行
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ジム・アル・カリーリ著 林田陽子訳『見て楽しむ量子物理学の世界』日経BP社 2008.9.29 1版1刷
山本耕造著『宇宙線と素粒子の本』日刊工業新聞社 2018.1.18 初版1刷 p132～133
梶田隆章著『ニュートリノで探る宇宙と素粒子』平凡社 2015.11.20 初版第1刷
竹内 淳著『高校数学で分るマックスウェル方程式』講談社2003.6.27第2刷発行
p200～209 学会、言論の自由、発想の自由、科学の役割
平野功著 『原子・光・磁気の解析 －その成り立ちと発展の軌跡ー』技報堂出版2004.3.30 1版1刷発行
窪田登司著 『アインシュタインの相対性理論は間違っていた』徳間書店 1993.10.31 p212
木幡赳夫他8名著 『最新 アインシュタイン論』学研 1989.12．1
安東正樹著 『重力波とは何か』 講談社 2016.9.14 1刷発行
高橋真理子著 『重力波 発見！』 新潮社 2017.9.20 p168
大槻義彦・大場一郎著『物理学事典』 講談社 p326
円山重直著 『光エネルギ工学』養賢堂 2004.4.30 1版発行 p172、ｐ178
竹内淳著 『光とレンズ』講談社 2016.5.20 第1刷発行 p156～157
山本義隆著 『幾何光学の正準理論』数学書房 2014.0.1 1版1刷 p27、p30、p35
・ニュートン別冊
『時間とは何か』 ㈱ニュートンプレス 2016．7.．25 発行増補第三版
・松浦壮著 『時間とは何だろう』 ㈱講談社 2017.12.5第三刷発行
ｐ94～96文章抜粋
絶対時間から相対時間へ
「さて新しい原理を持ち込んで理論を構築するのはもちろん自由ですが、それが正しいかは別問題です。アインシュタインが導入した原理は本当に正しいでしょうか？こういう場面で登場するのが実験の精神です。新しい原理が導入されたことで予言される現象が現実に起きるかどうかが判定材料になります。
・・・時間とは時計で測定するものとして「光時計」を考える。・・・思考実験
・原康夫著 『量子力学』 岩波書店 1994.6.6 第一刷発行 p3（光の二重性）、
ｐ４文章抜粋「このように光は波動性と粒子性の両方の性質を示す。とりあえず光の二重性を『光は空間を波として伝わり、物質によって放出・吸収されたとき粒子として振舞う。』
ｐ5文章抜粋『１９０５年にアインシュタインは振動数νの光（一般に電磁波）はエネルギーＥ＝ｈνを持つ粒子（光子）の流れだと光電効果を説明した。』
・チャールズ・H・ホランド著 手嶋英志訳 『時間とは何か』 青土社 2002.12．20 第1刷発行 p188
・平野功著 『原子・光・磁気の解析』 技報堂出版 2004..3.30 第1版1刷
・円山重直著 『光エネルギー工学』 養賢堂 2004.4.30
p6文章引用「光とは狭義には可視光を意味するが、一般的には電磁波又は光子「フォトン」と同義である。物質中の電荷が変動することによって電磁波が発生し空間を伝播する。
p62、電磁波の伝播、マックスウェルの方程式
・後藤憲一、小野廣明、小島彬、土井勝 著 『基礎物理学 第二版』 共立出版 2004.4.15 第二版1刷
p159 Ⅰ 特殊相対性原理
「すべての慣性系は同資格でどのような物理法則もすべての慣性系と同じ形である。」
Ⅱ速度不変の原理
「真空中を光が伝わる速さは光源の動く速さや方向に無関係に、どのような慣性系から見ても同じ値（ｃ）である。」
・山田克哉著 『光と電気のからくり』 講談社 2003.6.27 ｐ１３９、ｐ１４８
・福田京平著 『光学機器が一番わかる』 技術評論社 2010.5.5 初版1刷発行
・石川健三著 『場の量子力学』 培風館 2006.7.20 初版発行
・佐藤勝彦著 『量子論』 ナツメ社 1999.2.10 発行
・山崎昇 監訳 『見える数学の世界』 大竹出版 2000.12.11 第一版発行
p295 ピタゴラスの定理
・岡部恒治、有田八州穂、今野和浩著 『文科系学生のための数学教室』 有斐閣アルマ p34 三平方の定理（ピタゴラスの定理）
・吉田伸夫著 『素粒子論はなぜわかりにくいのか。場の考えを理解する』 技術評論社 2014.1.10 初版第1刷発行
要約（ p10～31から引用）
１、素粒子（含む光子）は粒子ではなく「場」の概念を適用する。。
２、「場」の概念を適用とは
「場」とはいたるところに存在し、あらゆる物理現象の担い手となるものである。
空間と一体化し、空間に対して移動できないことが「場」の特徴である。
時間とともに変化する物理現象では原子のような実体が空っぽの空間の中を動き回るのではなく、「場」の値が変化することで動きをもたらしている。
・山崎正之、若木守明、陳軍 共著 『波動光学入門』 実数出版 2004.4.20 第1刷発行
・『キップソン博士が語る時空旅行
相対性理論とタイムトラベル』 ニュートンプレス 2012.6.15 発行
・『アインシュタイン 物理学を変えた発想』 ニュートンプレス 2009.3.10 発行
p30、止まっている光時計
p45、運動している光時計
・『時間の謎』 ニュートンプレス 2018． 8月号
・平井正則監修 三品隆司編者
『アインシュタインの世界 天才物理学者に関する６０の疑問』 ＰＨＰ研究所 1996.10.22 第一版7刷発行
ｐ61～62 特殊相対性理論
ｐ62～63 絶対時間と相対時間 「時間」と「空間」
・桑原守二・三木茂監修『図解雑学 電気・電子のしくみ』 ナツメ社 1997.7.20
ｐ162さまざまな電磁波 ｐ165マックスウェルの方程式
・小暮陽三著 『物理のしくみ』 日本実業出版社 1994.10.15 第８刷発行
ｐ38光の粒子説と波動説、ｐ42光と電磁波、ｐ125エーテルと光速度の測定
ｐ126同時刻とは ｐ128時間の遅れ
・小沼通二著 『現代物理学』 放送大学 1997.3.20 改訂版第1刷 ｐ28相対性理論
・阿部龍蔵・川村清著『量子力学』 放送大学 1997.3.20 改訂版第1刷 ｐ18波と粒子の2重性
・藤井保憲著 『相対論』放送大学 1995.3.20 第１刷 ｐ27 時間のおくれ
・阿部龍蔵著 『光と電磁場』 放送大学 1992.3.20 第1刷 ｐ36 光の放出と吸収
・田村 司著 『運動する媒質中の光速度についての考察』放送大学卒業研究論文
・窪田登司・早坂秀雄・後藤学・馬場駿羣・森野正春・・竹内薫・日高守・石井均
『アインシュタイン理性を捨てさせた魔力「相対論」はやはり間違っていた』
徳間書店 1995.5.10 第２刷
後藤学「相対性理論のどこがおかしいか」ｐ234 文章抜粋「結論的には、特殊相対性理論にはそのベースになっている仮説に疑問があることを指摘しています。その疑問は相対論の全体を完全に破壊させかなない類のものです。」
日高守著「相対論を打ち砕くシルバーハンマー」p155 巻末資料２ Ａ ・Einstein 著『E＝ｍｃ²に関する論文』 ［Ａ3］質量とエネルギーの等価性の初等的証明 Elementary derivation of the equivalence of mass and energy. Technical Journal .vol. 5 (1946), pp.16~17
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