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。」
今回は、吾輩も感心した論文です。
大阪府立大手前高等学校：「スーパーサイエンスハイスクール」指定校の研究論文を掲載します。
勝手ながら第三者の立場から査読した結果、評価Aとしました。これからの日本の科学を支える若き人材にエールを贈る。
2021.12.31（大晦日に執筆）
さいたま市桜区
理論物理研究者 田村 司
はじめに
このような若き研究者（将来の偉大な研究者の卵）にエールを贈りたい。
そして、「重力より光が曲がる」などや「時間を遅らせる」などの検証されない「重力による時空の歪み」などを信じることなく、検証（実験・観測）による事実の積み上げで研究を進めることを強く望む。
最初は高校生の執筆した論文を掲載する。全文を確認したい方はURLから索引を乞う。
蜃気楼
蜃気楼、気体の密度による屈折率
2014S32.pdf (otemae-hs.ed.jp)より抜粋
家田涼平 佐々木太一 白浜真 辻部壮真 湯浅貴道
１．緒言
私たちは、蜃気楼が発生する条件に興味を持った。蜃気楼とは光の屈折によって物体の見かけの位置 が変化する現象である。そこで光の屈折のメカニズムを解明し、蜃気楼の発生について研究することにし た。屈折率は光が通過する物質の密度に関係すると考えて実験を行った。まず、水溶液の屈折について 研究をした。次に空気の圧力や温度が変わると密度が変わることから、圧力と屈折率、温度と屈折率との 関係を研究した。
考察
我々はまず、液体を用いた実験から始めた。そして、液体の密度を大きくすると、屈折率は大きくなること が分かった。次に、気体の屈折率もまた、密度との相関関係があると考え、気体の実験に移った。まず、 圧力を変えて実験を行ったが、圧力の変化による屈折率の変化を正確に測定することはできなかった。こ の原因としてペットボトルの膨張の影響を除き切れていなかったことが原因と考えられる。そこで、温度を 変えて実験してみることにした。この実験より、温度の変化によって屈折率が変化することが分かった。し かし光は上にずれたところと下にずれたところが混在しており、この原因は高温の層が一様ではなく温度 にむらがあったからだと考えられる。
５．結論
水溶液の密度と屈折率の関係を調べた実験では、密度が大きくなると屈折率も大きくなるという関係が分 かった。この結果をもとに気体でも同じ関係が成り立つという仮説を立てて実験を行った。圧力を変化さ せて密度を変える実験では圧力を上げると屈折率も大きくなったもののこれは誤差が大きく信頼できる値 ではなかったため、次に温度を変化させて密度を変える実験を行った。この実験により高温の空気層を 通った光は屈折し光の到達点がずれることが確かめられた。今後の課題は圧力の実験においてペットボ トルの膨張の影響をより小さくすることと、温度の実験において高温の空気層のむらをなくすことである。以上抜粋したので詳細はURLから。
関連命題「光は重力により曲げられるのか？」
結論 重力は質量のある物質に作用する。つまり、質量のある物質に重力（万有引力）が働く。しかし、光子の質量は「０」である。ならば、光子に重力が働くのか否か。当然に、光子には重力が働かない。
故に、光は重力により進路は曲げられない。
素粒子表 (japanknowledge.com)
重力で加速力を受けた質量と加速で慣性力が働いた質量は等価と言える。
故に重力質量=慣性質量は否定しない。
しかるに、問題は光に質量「０」であるのにも拘らず、光子に慣性力を働かせた理論構成をして、それにより支離滅裂な理論が出来上がったのである。
吾輩の主張と同様な意見に対して抗弁としてでた理論が、「重力は空間を曲げる、曲がった空間を光は直進する」「運動する物体は時間が遅れる」との詭弁である。以前も解説に使った図で解説する。
質量の定義の確認
慣性質量の定義
慣性質量（inertial mass）mI 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。又は時間の微分式は、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。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。
ａ＝ｄ²ｒ/ｄｔ² 重力加速をｇとすると ｇ＝ｄ²ｒ/ｄｔ²で表されるので、等価交換の重力質量ｍｇ=慣性質量ｍａが成立する。
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。
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「光子時計」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)」の思考実験をしている。
👇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、「光子時計」は右にＶ１の速度で移動する距離・・・B
２、「光子時計」の上まで「光粒子」が移動する距離
（静止しているときの距離）・・・A
３、光粒子が軌跡上を「光速度ⅽ」の速度で移動する距離・・・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）
「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で移動する光子に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」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。
👇光子は当初の光源の位置に残る
👇光子ｔ₆
👇光子ｔ₅
👇光子ｔ₄
👇光子ｔ₃
👇光子ｔ₂
👇光子ｔ₁
👇光子ｔ₀
👇光時計 👇光時計
アインシュタインは、光電効果でノーベル賞を受賞しているが、光の粒子が慣性力を持ち伝播すると考えていたようです。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（原ｐ5）。
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。』（原ｐ4）。
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。「光子思考実験」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。
次に、高校生の蜃気楼の研究にもある通り、光は透過する媒体の密度によって屈折を起こすことは知られている。重力により光が曲げられると言われる現象は、宇宙空間に存在するガス濃度によって恒星の光の屈折が起こる現象である事は容易に想像がつく。
皆既日食観測時に起こった現象と相互作用
太陽の重力に引き寄せられているガスの濃度は中心から遠ざかるに従い重力が弱くなり、濃度が薄くなる、濃度の濃い方向に屈折する。
太陽の大気組成はほとんどが、表面が、水素70％ヘリウム28％ であり、 中心部分は、水素35％ヘリウム63％とされている。
光球面の上には大量のガスとプラズマがある。多くの場合、光球面という言葉は太陽の表面という意味。光球面は地球に必要な可視光を放出するが、そのほかに紫外線も放出している。太陽の中心に行くほど太陽を取り巻く気体（水素70％ヘリウム28％ ）の密度が増す。密度は増すほど屈折率が大きくなる。当然太陽から離れると気体密度は減り、屈折率も小さくなる。
光（素粒子・電磁波）に太陽の重力が直接的に影響したのではなく、太陽の重力の影響による質量のある気体（水素70％ヘリウム28％ ）の密度が増して、それが屈折率を増加させて、光は通常の物理現象の屈折で曲がったのであると推測される。「重力が光を曲げた」のではなく、「重力が質量のある気体の密度に変化を起こし、それが屈折率にという現象を起こし、屈折した」というのがリーズナブルであろう。一般相対性理論へ直ぐに結論を求めず、あらゆる角度から原因を追究すべきであろう。
太陽の中心部は光球面でその周りには水素70％ヘリウム28％ が存在する。恒星の光と太陽の光が交差しても恒星の光は光同士は影響を受けないことは以前解説済みである。
太陽光線と恒星からの光の関係
やさしい物理講座ｖ12「三日月が輝く晩に太陽からの光に邪魔されず、星の輝きが見える訳」で解説ずみ。
重力レンズと言われるものの正体
重力レンズと言われるものの正体
これは、前述したような地球上で観測、実験されて実証済みの事実の積み重ねで推論した仮説ではあるが、「重力レンズ」と言われる現象や、「皆既日食観測」に見られた現象は、重力が光を曲げたのではなく、光と物質の特性である「屈折」が作り出した宇宙の大規模な天体の「屈折」現象であると推論する。
これは 銀河系の水素ガス分布が重力作用でガス濃度を作り出し、結果、屈折率の違いから創りだした芸術である。重力が光を曲げたのではない。
「銀河団の巨大な重力場によるとされる湾曲した渦巻き銀河の図」は銀河に存在する水素70％ヘリウム28％が重力により濃度差を作り、強いては屈折率を生み出し、宇宙に広大な芸術作品を創りだしたものである。
重力は空間を歪めるという弁明は根拠喪失
重力は空間を曲げるから直進する光も曲がるとの主張もされましたが、前述したように、重力により曲がることもなく本来は直進すべきものが、屈折により曲がるのであるから、重力により空間が曲がることの根拠も喪失したものとなる。
My Opinion.
前述した若き将来の研究者の卵を大事に育てたいものである。吾輩の主張をどのように捉えるかは諸君の判断に委ねる。全ての事象に疑問と従来の論説を懐疑的にとらえて研究を進めれならば必ずや新しい物理学界の発展が望めるであろう。若者に希望を託す。今の特殊相対性理論や一般相対性理論の錯誤の出発点は、光は質量「０」にかかわらず、重力の影響で曲がるとか、光子時計の思考実験でも質量「０」の光子に慣性力を働かせていることにある。それが原因で「速度が増す運動は時間の遅れる」などという机上の「時空」の概念が出来上がったのである。本来の原因を追究・究明せずに、特殊相対性理論や一般相対性理論に結論を求め、「相対論効果」という理由付けで結論付けているのは研究者として研究放棄に等しいと考える。
なお、現在の大学は「特殊相対性理論や一般相対性理論」を疑義の無い正しい理論として講義しているので、受講のときは、前述したような異議の回答やレポートを提出すると単位を喪失しますので、その辺は各人の自己責任で対応を願いたい。
次回は重力場の中で起きると言う赤方偏移つまり「重力赤方偏移」の実験について言及予定である。
To be continued . See you later ！
参考文献・参考資料
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
阪上孝・後藤武 編著 『はかる科学』中公新書 2007.10.25発行
p26～54
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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後藤学著『相対性理論のどこがおかしいか』ｐ324～326「相対論はやはり間違っていた」徳間書店 1995.5.10
巻末資料２ A・Einstein 『 E=Mc²に関する論文 』ｐ18～20
伊藤幸夫・寒川陽美著『単位の基本と仕組み 国際単位系（SI)』秀和システム 2004.8.10 第一版1刷 p62～、p104
国際単位研究会著『SI単位ポケットブック』日刊工業新聞社 2003.6.26 2版1刷
今井秀孝監修『計量の本』日刊工業新聞社 2007.11.30 1版1刷 p134
中井多喜雄著『早わかりSI単位辞典』技報堂出版 2003.9.1 1版1刷発行
山内薫著『分子構造の決定』岩波書店 2003.10.10 3刷発行 p6～15
吉田伸夫著『素粒子はなぜわかりにくいのか』技術評論社 2014.1.10 初版1刷 p129～158 摂動法
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
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%85%89%E5%AD%90
・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
https://note.com/tsukasa0415/n/n4cde602b3c7b
・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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