1、ローレンツ変換とガリレイ変換の違いについて違う表現をしてみましょう。
ガリレイ変換の場合は変換前の時間空間を表す直交座標の時間軸はNT(ニュートンの時間)でした。
そうして速度Vでガリレイ変換した先の直交座標の時間軸もNT(ニュートンの時間)のままです。
その様な2つの慣性系(変換前と変換後)の間で変換前の座標値(x、t)を変換後の座標値(x’、t’)に変換する手順を示したのがガリレイ変換の式でした。
ここでガリレイ変換は
x’=x-V*t
t’=t
で2つの慣性系のあいだの座標値を結びつけます。
それに対してローレンツ変換では次のようになります。
ローレンツ変換の場合は変換前の時間空間を表す直交座標の時間軸はNT(ニュートンの時間)でした。
しかしながら速度Vでローレンツ変換した先の直交座標の時間軸はNT(ニュートンの時間)からBT(棒の時間)に変わります。
その様な2つの慣性系(変換前と変換後)の間で変換前の座標値(x、t)を変換後の座標値(x’、t’)に変換する手順を示したのがローレンツ変換の式でした。
ここでローレンツ変換は
x’=(x-v*t)/sqrt(1-V^2)
t’=(t-V*x)/sqrt(1-V^2)
で2つの慣性系のあいだの座標値を結びつけます。
さてこうして見ると分かります様にローレンツ変換は変換する座標値の組に作用してその値を変えるだけではなくて、慣性系の時間軸そのものまで一緒に変化させてしまうのです。
しかしながら通常は我々はローレンツ変換もガリレイ変換の場合と同じ様に「慣性系の時間軸はNTのままで変化しない」と思っています。
つまりは『しかしながら速度Vでローレンツ変換した先の直交座標の時間軸はNT(ニュートンの時間:ニュートン タイム)からBT(棒の時間:棒タイム)に変わります。』と言う様な事は想定してはいないのです。
所が実際は時間軸はNTからBTに変わってしまうのです。
さてそうであれば「ローレンツ変換というのは座標値を変えるだけではなくて慣性系の時間軸まで変えてしまう変換である」という事になるのです。(注1)
2、NTとBTの具体的なイメージ
X軸を考えます。但し距離は光速Cで規格化すみ。
NTの場合(つまり静止系の場合:あるいはガリレイ変換の場合の時間軸)
X座標値 ーー> 0(原点) 1 2 3 4 5 6・・・
その位置に置かれた 0 0 0 0 0 0 0・・・
時計が示す時刻t(sec) 1 1 1 1 1 1 1・・・
2 2 2 2 2 2 2・・・
3 3 3 3 3 3 3・・・
・
・
・
NTの場合はx座標各点に置かれた時計の時刻は原点に置かれた時計の時刻と正確に一致しています。
BTの場合(静止系に対して相対速度V=0.6Cを持つ慣性系の時間軸)
X座標値 ーー> 0(原点) 1 2 3 4 ・・・
その位置に置かれた 0 -0.6 -1.2 -1.8 -2.4・・
時計が示す時刻t(sec) 1 0.4 -0.2 -0.8 -1.4・・
2 1.4 0.8 0.2 ー0.4・・
3 2.4 1.8 1.2 0.6・・
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・
・
BTの場合はx座標各点に置かれた時計の時刻は原点に置かれた時計の時刻と相対速度V*X座標値の値だけマイナス方向に正確にずれます。
ここでマイナスは原点時刻に対して距離Xにある時計の時刻が遅れている事を示す。
ちなみに0.6Cでこの慣性系は左から右に動いています。
でその時に上記時計の秒数はその慣性系内の各座標値Xに置かれた時計の時刻を示しています。
もちろんこの時にこの慣性系内で光を使って原点と距離Xに置かれた時計の時刻合わせ状況を確認したならば「いずれの距離Xにある時計の時刻も原点の時計と同じ時刻を示している」という結果を得る事になります。
つまりは「全てX軸上の時計は原点の時計と同期がとれていて、時刻合わせOK」となるのです。(注2)
さてそうであれば「この慣性系内に立つ観測者には自分の時間軸はNT時間軸に見える」のです。
ただし「実は静止系から見れば距離Xに置かれた時計の時刻は上記の様になっている」のです。
そうしてそれが相対速度Vで静止系に対して移動している棒がsqrt(1-V^2)の割合で短縮して観測される理由になっています。
注1:そのようにとらえますとアインシュタイン流の静止系の設定、つまりは「観測者は自分が立っている慣性系を常に静止系として設定してよい」という考え方と上記の説明との間に矛盾が生じる事になります。
つまりはアインシュタインは「観測者は常に自分の立っている慣性系の時間軸はNTであると認識している」し「それが正しい」、つまりは「観測者は自分が立っている慣性系を常に静止系として設定してよい」と主張しているのですが、「実は観測者の立っている慣性系の時間軸はBTであった」という状況が起こり得ます。
そうしてここで想定している「観測者が立っている慣性系の時間軸」が「NTであると同時にBTである」と言う様な事は物理的に起りえないのです。
さてそうであればここでまたしても「アインシュタイン流の静止系のとらえ方、設定の仕方は正しいのか?」と疑問符がつく事になるのです。
ちなみにここでいうBTとはもちろん「座標原点にある時計が示す時刻と位置xにある時計の時刻との間にずれが生じている」と言う事を表しています。
ところで「ローレンツ変換というのは座標値を変えるだけではなくて慣性系の時間軸まで変えてしまう変換である」という表現は少し妥当性を欠きます。
というのも「ローレンツ変換が慣性系の時間軸を変えてしまう」のではなくて実際には「静止系に対して運動している慣性系の時間軸は最初からそのような棒の時間になっている」と見る方が自然であるからです。
そのようにとらえますと「ローレンツ変換式と言うのは運動系の時間軸のありようを目に見える形として表現した」あるいは「あばきだした数式」という事になるのです。
注2:さてその事は「この慣性系の中で光速を測定すればCという結果が得られる」という事の別の形の表現であります。
ちなみにこの0.6Cで動いている慣性系が静止系に対する相対速度を落としてその値がゼロになればもちろんこの慣性系の時間軸は何もしなくても自動的にBTからNTになるのです。
追記:BT時間軸はその慣性系での最高到達距離を制限している件
上記のNTとBTについての簡単な表時から以下の事が分かります。
原点位置に置かれた物体mを原点時刻0秒から1秒の間、力Fを加えて加速度運動させます。
そうすると物体mは加速度運動を始めて原点から+X方向に動き出します。
さてそれで、その場合に原点時刻1秒で物体mはどこまで移動可能でしょうか?
NT時間軸が成立しているガリレイ変換の場合は物体mは加える力Fの大きさ次第でどこまでも到達距離を延ばす事が出来ます。
なんとなればNT時間軸では原点時刻1秒でX軸上の全ての時計は1秒を指しているからですね。
したがって物体mがどの位置にあってもその位置の観測者は「物体mは1秒でここまで来た」と記録できるのです。
さてそれで問題はBT時間軸の場合です。
この場合も物体mは原点時間0秒を起点に右方向に所定の運動方程式に従って運動を始めます。
そうして原点時間1秒でX軸上のどこかの位置にその物体mは存在している事になります。
さてそこでBTを示した本文の表示をみますと
X座標値 ーー> 0(原点) 1 2 3 4 ・・・
その位置に置かれた 0 -0.6 -1.2 -1.8 -2.4・・
時計が示す時刻t(sec) 1 0.4 -0.2 -0.8 -1.4・・
となっています。
ここで注目すべきは原点時刻1秒では原点から距離2Cの位置にある時計の時刻はマイナスになっている、という所です。
つまりは物体mが原点時刻1秒の時に距離2Cの所にあった、としたらその位置の観測者は『原点時刻0秒より0.2秒前に物体mはこの位置にあった』と報告する事になるのです。
つまり「原点から物体mが動き出す前に物体mは距離2Cの所にあった」と言う事です。
そうしてそんな事はこの宇宙では起こり得ません。
従って物体mは原点時刻1秒では原点から距離2Cの位置に到達する事はできないのです。
さてそのように考察するならば、物体mは原点時刻1秒では原点からどの位置にまで到達可能となるのでしょうか?
それは「原点時刻1秒の時に物体mが到達したその場所にある時計の時刻がプラスになっている所まで」となります。
さてその条件を満たす座標Xの値はいくつでしょうか?
時間のずれ量は棒の長さ掛ける相対速度Vでした。
求めているずれ時間の量は1秒です。
従って
一秒=距離X 掛ける 0.6C
距離X=1/0.6=5/3=1.6666・・・C
こうしてこの簡単な考察からBT時間軸になっている慣性系ではこの物体mの原点時刻1秒の時の最大到達距離は原点から1.6666・・・Cである事がわかるのです。
ちなみに相対論の世界では一番早いものが光でした。
その速度は1Cです。
ならば原点を0秒で通過した光は原点時間で1秒後にはx座標で1Cの所に到達しているのか、と言いますればBT時間軸ではそうはなりません。
BT時間軸でも等速運動している物体mの速度は物体mが到達したそのx座標値をその座標値の所にある時計が示している時刻で割れば求まるのでした。
で今はこの物体mの速度が光速Cである、としたのです。
そうして原点時間で1秒後にはx座標値でx1の所に到達したとしましょう。
その時の棒の長さはx1で慣性系の相対速度は0.6Cです。
従って時間のずれ量は 0.6*x1
原点時刻が1秒でしたから座標値x1での時刻は 1-0.6*x1
距離はx1ですから等速運動の速度は x1/(1-0.6*x1)
この値が1Cですから
1=x1/(1-0.6*x1)
(1-0.6*x1)=x1
1=x1+0.6*x1=(1+0.6)*x1
従って
x1=1/(1+0.6)=1/1.6=0.625
こうして相対速度0.6CのBT時間軸では原点時間で1秒後に光はx座標値0.625の所にいる事が分かるのでした。
そうしてもちろんその場所にある時計の時刻は0.625秒を指しています。
さてでは一体いつ光はx座標値で1Cの場所に到達するのでしょうか?
原点時間で1秒後にx座標値0.625でしたから1Cに到達するのは原点時間で
1/0.625=1.6秒後です。
さてその時の棒の長さは1Cですから1Cの所にある時計は1C*0.6Cだけ原点時間に対して遅れています。
そうであれば1Cの所にある時計は原点時間で1.6秒経過した時にはちょうど1秒を指している事になります。
こうして距離1Cの所に立つ観測者は「1秒で光は原点からこの場所に届いた」と記録しその様に報告できるのです。
つまり「光速は1Cである」となります。
ちなみに光についての以上の説明はMN図によっても確認する事が出来ます。
参照MN図: https://archive.md/ND6P3 :
このMN図は相対速度がほぼ0.58Cの時のローレンツ変換の状況をしめしています。
まあそうであれば多少の誤差はありますがこれを0.6Cでのローレンツ変換のMN図の代用にしましょう。
それで光はもちろん45度の青ラインで示されています。
変換前の静止系は黒座標、変換後の慣性系は赤座標になっています。
で、静止系で1秒の間に(Y軸方向1ブロック)光が進んだ距離はX軸方向に1ブロックです。(ちなみにイラストは拡大して見て下さい)
でその黒座標(t,x)=(1,1)の点の赤座標読み値はえいやあの目視で(0.6,0.6)あたりになっています。
そうしてこの数値は上記計算では(0.625,0.625)として求められた点に相当しています。
さて次に赤座標で(1,1)の点の黒座標読み値はえいやあの目視で(2,2)あたりになっています。
つまり静止系で2秒ほど経過すると赤座標での光の到達距離が1Cになっている、という事になります。
さて静止系で2秒と言うのは赤座標原点時刻では何秒でしょうか?
2秒*sqrt(1-0.6^2)=2*0.8=1.6(秒)が答です。
さてこれも上記計算で示した値「原点時間で1秒後にx座標値0.625でしたから1Cに到達するのは原点時間で1/0.625=1.6秒後です。」の再確認になっています。
さてこうして「棒の時間を使った変換はMN図の表示とも整合性が取れている」という事が確認できるのでした。
以上の事よりイラストでの黒座標系はNT時間軸であり赤座標系はBT時間軸である、という事がわかります。
そうしてその事については今まではだれも気がついてはいなかった事であろうかと思われます。
つまりは「NT時間軸とBT時間軸というテーマ」については従来の相対論の検討項目の中には入っておらず、「見落とされてきたテーマである」という事になります。
追記の2:速度の測定について
所で物であれ光であれその速度を測定する、という行為は出発点と到着点とのあいだの距離Lとその距離を移動するのに必要だった時間間隔ΔTを測定する、という事です。
そうして速度VはV=L/ΔTで決まります。
この関係は使っている時間軸がNTであれBTであれ変わる事はありません。
であればΔTは到着点に置かれた時計がしめす時刻T2から出発点に置かれた時計の時刻T1を差し引く事で決まります。
つまり ΔT=T2-T1 です。
それ以外の手順によってΔTが決まる事はありません。
ちなみに「任意の慣性系においてこの時に使われる2つの時計は光を使って時刻合わせが終了している」という事は相対論に於いては大前提となっています。
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