
<2007年忘年会> 平成19年12月30日作
<ロ−レンツ変換2> 平成19年9月30日作
<光子のエネルギ-> 平成19年6月21日作
<AC100V> 平成19年4月22日作
2007年忘年会
--------ガラガラガラ-------
アリス;今晩わ またまたお邪魔します。
マスタ−;いらっしゃい! おや 今回は3人お揃いで!
テリス;まぁ たまには.....
アリス;あれ! 何か聞こえる?
パクパク;パトカ−? いや救急車らしい!
アリス;やだ! だんだん近づいてくる....
------- ピ-ポ-ピ-ポ-ピ-ポ- -------
テリス;良かった! 遠ざかるようだ。
マスタ−;まっ 皆さん席について...っと 皆さんは車ではないですよね!
アリス;うむ 皆 歩き! ガタガタ
マスタ−;でもホドホドに頼みますよ! では取り合えずビ−ル ポンポン!
テリス;じゃぁ 恒例にそって 乾杯!
パクパク&アリス;乾杯! グビグビグビ
テリス;プッハ− ではパクパクさん今年のまとめを
パクパク;プッハ− うむ 去年が新年のあいさつと忘年会で終わったので今年は少しアップを心がけたのだが。
テリス;途中で相対論の解説書をほぼそのまま書いているサイトを見つけて方向転換をした。
アリス;確かに相対論を離れてイロイロ考えていたけど、特殊相対論そのものがまだまだ受け入れられていないらしいネ(^^)
パクパク;うむ その特殊相対論の基本中の基本「ロ-レンツ変換」が実にぼやけている。中学生でも解ける簡単な数式が様々に誤解されているわけだが、別の観点から導いてみると唖然とした。グビッ
テリス;相対速度が光速を超えた場合、伸縮率そのものが虚数になる。x’,T’の目盛もx’,T’の網も虚数を成分とすると言う愕然とした結論になった。
アリス;そうなると虚数とは実数では解がない場合の解の表し方と言う側面から超光速は存在しないとバッサリ言い切れるだろうけど巷では?
テリス;確かビックバンの初期 インフレ-ションでは空間が光速を超える速度で膨張するとかあったけど、なんでも「空間の膨張だから光速を超えることは許される」みたいな解説があったけど、、、どうでしょうかねぇ〜
パクパク;うむ限りなく疑わしい! たとえ最初に空間が超光速で膨張しているとして、光速以下の膨張に移った時何が起こるのだろうか....トカ(^^)
テリス;超光速で飛ぶ粒子や波動はないならないとしよう。では存在できない理由は粒子や波動にあるのか? それとも空間の構造に起因しているのか? っでどうも空間側らしいトカ(^^)
パクパク;多分光速から超光速へは空間的に繋がっていない。そこを無理に繋げようとすればx,y,z,tの4次元空間では足らない。虚数成分も含めた6次元空間(tとxだけ虚数)が要る。
アリス;次元が増えると言うことは4次元的には衝突するはずの粒子同士がもし片方超光速なら衝突しないですり抜ける?
パクパク;う〜む、うむうむ....グビッ どこまで本当? どこから嘘?
アリス;まぁ ビッグバンのインフレ-ションねぇ〜 最初に現れた粒子が全部超光速なら、それがお互いに衝突しないなら現在の宇宙全体の質量が1cm^3の空間に詰まっていた理由も出てきそうだけど? グビ〜..
パクパク;どうも取り留めのない話になる。真空中の光速度に意識が行き過ぎるのだが、電線や回路パタ-ンの中を流れる信号も光速度を超えられない。実際に問題になるのはこの部分! パソコンはGHZ(ギガヘルツ)の周波数で動くのだが1GHZの周期は10^(-9)秒、光速度は3*10^8 m/秒 だからして1GHZの周期での到達距離は
3*10^8*10^(-9)=3/10 m→約30cm!
アリス;と言うことはCPUから30cm離れたICは1周期分送れた信号を受け取ることになる。CPUから同時に複数のICに信号を流しても実際の距離により同時に信号を受け取ってはいない!
テリス;恐ろしい世界! 同じ回路図でもICを何処に置くかで性能がまるで異なることになる。グビッ
パクパク;まぁ 光速度不変はパソコンの性能を制限する要因にもなっているハズなのです。プッハ-..
アリス;ところで話は変わるけど、光もドップラ-効果を起こすよね!
テリス;もちろん 光も音もドップラ-効果を起こします。ピ-ポ-ピ-ポ-ピ-ポ-
パクパク;あぁ〜 その話ね! うまくまとめると光の媒質としてのエ-テルの存在を証明出来るよ!
1)光はドップラ-効果を起こす
2)音もドップラ-効果を起こす
3)音のドップラ-効果は音の媒質である空気がなければ不可能である。
4)よって光のドップラ-効果も光の媒質であるエ-テルが存在しなければならない。
アリス;?????......ウソでしょう?
パクパク;もちろん うそ! でもそれらしいでしょう。実はこれ 時々メ-ルで提案した擬似科学です。
テリス;読者の皆さん! そうだその通りだ、エ-テルはあるのだと思い込まないで下さい。これは世界1短い擬似科学です。この論理システムのどこに欠陥があるのかを指摘してください。
アリス;まぁ 酔いが覚めちゃったけど..もし良かったらお正月の間に考察・検討してみてください。新年会で正解を発表します。出来たらだけど(^^)
パクパク;今年はこの辺にしよう。まだ正気のうちに(^^)
テリス&アリス;では皆さん 良いお年を...
チョンチョン
平成19年9月30日作
2007年4月 ひょんなことからまともな相対性理論(?)のサイトを見つけた。作者は解説本をよく読んでおられる。パクパクも昔は解釈本を読んでいたので思い当たるところが多々ある。
ご存知のように我サイトは解釈本に批判的である。何故そうなったのかを読んでいて改めて納得した。そのまともな相対性理論(?)のサイト、結果として数冊の解釈本ダイジェスト版になっている。良く読み込んだことはわかるのだが、主張や結論までダイジェストになっている。導入として解釈本を使うのは悪くないのだが解釈本そのままの主張は解釈本の欠点をさらす。ダイジェストになっている分、欠陥が浮き彫りになって仕方ない。
数式や図をなるべく載せないで解説するのはカラスの勝手だろうが、その結果は毛沢東語録のようなフレ-ズの集合体になる。科学の中でもともと数式の塊(カタマリ)である相対論はそんな基本的欠陥がモロに出る。本来簡単な原理・原則なのだが、それを複雑怪奇で理解困難な屁理屈に変えてしまう。
圧巻は何と言っても「双子のパラドックス」の説明だろう。何と「宇宙旅行をする兄はUタ-ンするためには加速度運動をしなければならない。よってこれは加速度運動を扱う一般相対性原理で扱わないと解けない」なんて堂々と書いてあるのだ。作者が悪いのではない。確かにそんなアカラサマな嘘を展開する解説本がある。
このサイトの読者ならご存知のハズだが、パラドックスの元「お互いの時計が遅れる」ことを図を使ってキチンと説明しないからそんなアカラサマな嘘ででも誤魔化すしかなくなるのである。
パクパクも少しメ-ルのやり取りをしたのだが、途中から返事がなくなった。このサイトを読んでアブナイ奴とでも思われたのか? パクパクは虫も殺させない男であり、よってパクパクの家はウジ虫ダラケなのだ。←ウジ虫はウソ!(^^)少しホント!
久しぶりに我サイトを読み返した。確かに少々エグイ!。本来はこう言うべきだろう。
本当に簡単な原理・原則なのだ。ちょっと数式を立ててみよう。図を描いてみよう。簡単だろう!
そんなわけで初心に戻り、基本の基本ではあるロ-レンツ変換を別の観点から導いてみた。悪いクセで超変換は何故できないかを考えていたら半年が経ってしまった。まぁ暑くて暑くてダラダラ書いていたのもあるけどネ!
目次
1)光速度不変とは?
2)横軸縦軸が同じ割合で伸縮すること
3)ロ−レンツ変換
4)相対速度Vの導入
5)xとT x’とT’ を入換えても不変であること
6)Aの特定
7)まとめとつっこみ
8)この章の終りに
9)おまけ
−−−−−−−−−−−−
1)光速度不変とは?
光速度不変とはある慣性系x、tにおいて光速度をCとするなら x=Ct と書けることと、別の慣性系x’,t’においてもx’=Ct’ と書けることである。つまり
x=Ct と x’=Ct’ が同時に成り立つことである。
ならば C=x/t=x’/t’ となる。そのうち x/t=x’/t’ は x’/x=t’/t に書き直せる。
早い話 光速度不変を実現する慣性系は x’/x=t’/t を満足する。
つまりある慣性系x、tと別の慣性系x’,t’を考えた時その横軸縦軸が同じ割合で伸縮するように設定すれば光速度不変を実現する慣性系群を設定できる。
なお言葉のアヤになるが「ある慣性系」と「別の慣性系」を今後「基準系」と「慣性系」とする。この場合基準系と言っても慣性系に対してなんら特殊な条件や特権は付け加えない。単に『幼なじみ』な関係である。(^^)?
2)横軸縦軸が同じ割合で伸縮すること
では具体的に横軸縦軸が同じ割合で伸縮するように設定していこう。その前に数学的簡易さのために
Ct=T,Ct’=T’とする。
こうすると x=Ct は x=T x’=Ct’ は x’=T’ となりグラフにすれば光速度は45°の傾きを持つ直線で表されるので理解し易い。それでも x’/x=T’/T となるので同じ割合で伸縮することには変わりない。
グラフの格子に注目すれば横軸縦軸が同じ割合で伸縮すると言うことは図のように格子が変形することである。
このような変形しか許さない変換こそ光速度不変を保つ唯一の変換である。
3)ロ−レンツ変換

格子が変形した座標全体を描いたのが上図である。一番左は座標を原点を合わせて合成した図である。
座標 x,Tにある点を決めれば、それに対応するx’,T’が決まる。ロ−レンツ変換とはこれだけのことでしかない。
4)相対速度Vの導入
慣性系でx'=0の直線は慣性系では原点にジッとしている質量を表すのだが、基準系では相対速度Vで動いている質量の点である。式にすればx=Vt それをTであらわせば x=(V/C)T となる。
ロ−レンツ変換は明らかにリニア変換であるので
x’=Ax+BT
となるわけだが、それに上記の X’=0 x=(V/C)T を代入すると
0=[A(V/C)+B]T
となり、これが常時成り立つには B=-A(V/C)でならなければならない。
ここに x’=Ax-A(V/C)T=A[x-(V/C)T]が成り立つこととなる。
5)xとT x’とT’ を入換えても不変であること

今まで横軸にT,T’ 縦軸にx,x’を使ったがこれを反転させて横軸にx,x’ 縦軸にT,T’を使っても構わない。参考書ではむしろ縦軸にTを取るものが多い。これは我サイトでは扱ってないが「光円錐」で議論する場合を想定していると思われる。 今現在 xとT x’とT’は数学的に完全に同等であるから xとT x’とT’を入換えても成り立つことになる。
そこで先ほどの式 x'=A[x-(V/C)T] も xとT x’とT’を入換えてみよう。
x’=A[x-(V/C)T] → T’=A[T-(V/C)x]
実はこれだけでロ−レンツ変換の形が出るのである。ロ−レンツ変換の式そのものを丸覚えしている人は少ないだろう。ロ−レンツ変換の式を図書館あたりで、または我サイトで調べてみよう。
(1) x’=(x-Vt)/√(1−V^2/C^2) (2) t’=[t-(Vx/C^2)]/√(1−V^2/C^2)
あたりが出ている。
それに対して x'=A[x-(V/C)T] と T'=A[T-(V/C)x] を Ct=T Ct’=T’ と解凍してつまり、 TをCt T’をCt’に置換してみよう。
x'=A[x-(V/C)T] → x'=A(x-Vt)
T'=A[T-(V/C)x] → Ct’=A[Ct-(V/C)x] → t’=A[t-(Vx/C^2)]
もちろんAをγ(=1/√(1-v^2/C^2))としなければならないが少なくとも式の形としては完成している。
6)Aの特定
もとに戻って x’=A[x-(V/C)T] と T’=A[T-(V/C)x] から始めよう。これは正変換である。逆変換は『 x’とxを入換える。 T’とTを入換える。 Vを−Vとする』ことで成立する。すなわち
x’=A[x-(V/C)T] → x=A[x’+(V/C)T’]
T’=A[T-(V/C)x] → T=A[T’+(V/C)x’]
整理しよう。ロ−レンツ変換は下記4個の式である。
x’=A[x-(V/C)T] 正変換(1)
T’=A[T-(V/C)x] 正変換(2)
x=A[x’+(V/C)T’] 逆変換(3)
T=A[T’+(V/C)x’] 逆変換(4)
Aの特定はこれら4個の式のうち任意の3個を使うと出来る。例えば正変換(1)の右辺x、Tに逆変換(3),(4)のx,Tを代入させると
x’=A[x-(V/C)T]=A^2[(x’+(V/C)T’)-(V/C)(T’+(V/C)x’)]
=A^2[x’-(V/C)^2x’)]
=A^2[1-(V/C)^2]x’
この式が常に成り立つためには
A^2[1-(V/C)^2]=1
これにより A=1/√(1-v^2/C^2) となる。もちろん Ct=T Ct’=T’ と解凍してつまり、 TをCt T’をCt’に置換すれば
x’=(x-Vt)/√(1−V^2/C^2) 正変換(1)
t’=(t-Vx/C^2)/√(1−V^2/C^2) 正変換(2)
x=(x’+Vt’)/√(1−V^2/C^2) 逆変換(3)
t=(t’+Vx’/C^2)/√(1−V^2/C^2) 逆変換(4)
が最終的に求まるわけである。
7)まとめとつっこみ
まぁ〜 ともかく 出来ちゃった!
振り返ってみよう。光速度不変の原理、これを数学的にまとめれば「x、tと別の慣性系x’,t’が同じ割合で伸縮する」ことであるから
x’/x=t’/t=T’/T ;T’=Ct’ T=Ct を満足することである。
そこに「相対速度Vの導入」を試みると下記の式になる。
x’=A(x-(V/C)T)
この式は図をジッと見ていると誰でも検討がつく。
赤い線は 傾き V/Cの線で x=(V/C)T であるから 赤い線上では x-(V/C)T=0 である。よって
x’=A(x-(V/C)T)=0 A;比例定数 である。
x’=0 とは赤い線を座標 (T’,x’)でみた線に他ならない。
では青い線はどうなるか?
青い線は 傾き C/Vの線で x=(C/V)T である。よって 青い線上では
x-(C/V)T=0 である。両辺に-(V/C)をかければ T-(V/C)x=0である。
一方これはT’=0 の線である。よって
T’=B(T-(V/C)x)=0 B;比例定数 である。
この比例定数A,Bは同じである。なぜなら「x、tと別の慣性系x’,t’が同じ割合で伸縮する」言い替えれば「x、Tと別の慣性系x’,T’が同じ割合で伸縮する」からである。
そんなわけで x’=A[x-(V/C)T] と T’=A[T-(V/C)x] が再度検証を経て登場する。正しいらしい(^^)。
ところでここでチョイと問題なのだが........
今までの論理ではVに制限をつけていない。よってV>Cである超光速変換にも適用可能である。...ハズなのだが?
図はV>Cの条件でしか成り立たないとする。
同じように考えれば良い。
赤い線は x=(V/C)T でx’=0 に対応し
青い線は X=(C/V)T で T’=0に対応する。
すると超光速変換も x’=A[x-(V/C)T] と T’=A[T-(V/C)x] でなければならない。 このAは超光速変換の定数であり、かならずしも普通のロ-レンツ変換の1/√(1-V^2/C-2)と一致はしないとする。
ところが....である。
逆変換『 x’とxを入換える。 T’とTを入換える。 Vを−Vとする』をすると...
x=A[x’+(V/C)T’] T=A[T’+(V/C)x’]
となり、任意の3個を使うと...
x’=A^2[1-(V/C)^2]x’ → A^2[1-(V/C)^2]=1
となる。A^2[1-(V/C)^2]=1 は 1=(V/C)^2+1/A^2 となるから
1>(V/C)^2 1>1/A^2 となり、 少なくとも V<Cでなければならない。
最初の定義 V>C と矛盾する。(^^) つまり 超光速変換は逆変換が出来ない!
それなら逆変換『 x’とxを入換える。 T’とTを入換える。 Vを−Vとする』がおかしくないか? 否!
このサイト、我サイトは『行列が出来るサイト』なのだ!(^^)
T’=A[T-(V/C)x]を行列に合うようにT’=A[-(V/C)x+T] とすれば こうなる。

ところが逆行列は こうなると昔から決まっとる(^^)

よって逆変換の行列は

要するに x’=A[x-(V/C)T] と T’=A[T-(V/C)x] が出た時点で x=A[x’+(V/C)T’] と T=A[T’+(V/C)x’]は複数の方法で決まってしまう。多分『光速度不変の法則』そのものが、超光速変換を数学的に禁止する何かを含んでいるのだろう。
相対速度Vが光速度以下なら、観測対象が超光速であってもロ-レンツ変換は成り立つようである。
例えばロ-レンツ変換
x’=(x-(V/C)T)/√(1−V^2/C^2) ;T=Ct 正変換(1)
T’=(T-(V/C)x)/√(1−V^2/C^2) ;T=Ct 正変換(2)
において x=1.2 T=1 V/C=0.6 としよう。これは基準系において光速の1.2倍の速度を持つ運動である。
幸いなことに√(1-0.6^2)=0.8 であるから、
x’=(1.2-0.6*1)/0.8=0.6/0.8 T’=(1-0.6*1.2)/0.8=0.28/0.8
であり、 x’/T’=0.6/0.28=2.14 となる。つまり光速の1.2倍の速度を持つ物を光速度の0.6倍で追いかけると光速度の2.14倍に加速して逃げて行く。
ところがこれを逆にする。 x=0.6/0.8 T=0.28/0.8 として -V/C=0.6 とすると
x’=(x-(V/C)T)/√(1−V^2/C^2)
=(0.6/0.8+0.6*0.28/0.8)/0.8
=(0.6+0.6*0.28)/0.8^2
=1.28*(0.6/0.64)=1.2
T’=(T-(V/C)x)/√(1−V^2/C^2)
=(0.28/0.8+0.6*0.6/0.8)/0.8
=(0.28+0.6^2)/0.8^2
=0.64/0.8^2=1
となる。つまり光速の2.14倍の速度を持つ物から光速度の0.6倍で逃げようとすると光速度の1.2倍に減速してしまう。
物理的、感覚的には戸惑う結論だが数学的にはチャンと合う。チャンと正変換、逆変換が可能である。
8)この章の終りに
まぁ超変換は別として..... 『光速度不変の原理』を数学的に「横軸縦軸が同じ割合で伸縮する」と置き換え、『xT、x’T’交換の原理?』、『逆変換の原理?』とでも言えそうな原理で数学的処理をすることでロ-レンツ変換は導き出される。 x’=A[x-(V/C)T] とした後は一本道である。なお超変換に対するパクパクの見解は 9)おまけ に上げておく。
それにしてもどうなのだろうか? 分かり易くなったのか? かえって難解になったのか?
いずれにしろ『xT、x’T’交換の原理?』、『逆変換の原理?』とでも言えそうな原理は第2部に反映しなければなるまい。うまく行けば第1部第2章を書き換えるつもりではあったのだがどうも失敗のようだ。第1部第2章のような直接的な展開も必要だろう。バッサリ切るには忍び難い。
でも長所もある。
x’=A[x-(V/C)T] 正変換(1)
T’=A[T-(V/C)x] 正変換(2)
は
x’=(x-(V/C)T)/√(1−V^2/C^2) ;T=Ct 正変換(1)
T’=(T-(V/C)x)/√(1−V^2/C^2) ;T=Ct 正変換(2)
の丸覚えより覚え易い。第1部第2章は少なくとももう少し書き直した方が良いだろう。
各々判定していただきたい。
9)おまけ
超変換が何故出来ないのか? その前にx’/x=T’/T となるので同じ割合で伸縮すると書いたのだがその伸縮の割合を相対速度Vで表したらどうなるか計算しよう。
普通の(?)ロ-レンツ変換である。このP0を(T0,x0)とする。
傾きV/CでP0を通る直線は x-x0=(V/C)(T-T0) である。
P1は直線 x-x0=(V/C)(T-T0) と直線 X=(C/V)T の交点である。このP1を(T1,x1)とするなら.....計算は各自やって欲しいのだが
T1=(V/C)[x0-(V/C)T0]/[1-V^2/C^2] x1=[x0-(V/C)T0]/(1-V^2/C^2)
である。
よって線分 0-P1 の長さは 0-P1=√(T1^2+x1^2) であるから、
0-P1=√(T1^2+x1^2)
=[x0-(V/C)T0]/[1-V^2/C^2]*√(1+V^2/C^2)
=[x0-(V/C)T0]/√[1-V^2/C^2]*√[(1+V^2/C^2)/(1-V^2/C^2)] である。
オイオイ x’=(x-(V/C)T)/√(1−V^2/C^2)だから
0-P1=[x0-(V/C)T0]/√[1-V^2/C^2] になるハズじゃないのか?
そうではない。上記の計算0-P1はあくまでx,Tを使ったx,T座標での長さである。
x’はxに比べて伸びたわけである。
その割合が√[(1+V^2/C^2)/(1-V^2/C^2)] つまり、
x’/x=√[(1+V^2/C^2)/(1-V^2/C^2)]
なのである。
もちろんT’/Tも同じことになる。 そうなると V>Cとすれば伸縮率そのものが虚数になる。x’,T’の目盛もx’,T’の網も虚数を成分とする。
虚数が出たから即間違いとは言えないにしても、虚数は実数で解がない時の解と言う側面もある。
この図からして間違い! 虚数を成分とする水色の線は本来描けない!
これが何を意味するかはまだ分からない。分からないが光速度不変の原理自体が超光速変換では通用しないと言えるのではないかと思えてくる。
まぁ γ=1/√[1-V^2/C^2] と言うことから超光速は存在しないという恐ろしく単細胞な議論もある。間違いとは言えないが.....
超光速になると過去に行けると言う話も時々見かけるのだが、その論理は何なのでしょうか? ネェ〜
『AC100V』では周波数が増えると自動的に電力やエネルギ-が増えるわけではないと主張したついでに、交流のピ-ク電圧はかならず√2倍になることまで述べてしまった。これは電気を扱う者には常識だろう。その後読者から光子のエネルギ-について参考資料を受け取った。そこで光子がE=hνを守るには光子の波はどう変化すべきかを考えてみた。
プランク定数は他の物理定数からは導けない。これほど基本中の基本定数であるにもかかわらずである。
考え方・見方によってはこのレポ-トは何の進展もないただの数学的徒労かもしれない。否そもそも数式そものもさえ間違っている可能性すらある。
それでも光のドップラ-効果とリンクさせれば謎は生み出される。現代科学でこの辺はどうなっているのか? 誰か知っている人はおりませんか?
目次
1)交流1サイクルでの消費エネルギ-
2)光の場合
2-1)電場と磁場の関係
2-2)エネルギ-密度U
2-3)光子のエネルギ-
2-4)組み合わせ
3)疑問!
3-1)『全ての光はE=hνを満足する』と仮定した場合
3-2)『ドップラ-効果による光はE=hνを満足しない』と仮定した場合
4)結論
5)付録 U=(1/2)ε0E^2 + (1/2)μ0H^2 の式
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1)交流1サイクルでの消費エネルギ-
『AC100V』の続きです。AC100V, 60hZ を式として表すと
V=√2*100*sin(2π*60*t) である。
確認は簡単で t=n/60 n=1,2,3,4....を代入すればV=0となる。一般形は AC(NV);Nボルト νHzとは
V=√2*N*sin(2π*ν*t) と書ける。
ACNVなんてすると何かの記号みたいになるので仕方なく( )をつけた。このAC(NV)に抵抗Rを繋げば
W=V^2/R=N^2/R になる。
これは抵抗が1秒間に消費するエネルギ-であるから、交流1サイクルでの消費エネルギ-Eは
E=W/ν=(N^2/R)/ν となるであろう。
元に戻ってN=AC100V R=100オ-ム ν=50Hz,60Hzで考えると
E(60Hz)=100/60=1.66ジュ-ル E(50Hz)=100/50=2ジュ-ル
である。AC100Vでは周波数が増える方が1サイクルあたりのエネルギ-は減る。
ここでもしもであるが、もしも「1サイクルあたりのエネルギ-Eがνに比例する」なら
E=(N^2/R)/ν=kν → N^2=(kR)ν^2 → N=√(kR)*ν k;比例定数
となり、電圧Nは周波数νと比例関係になる。 振幅は周波数と比例する。 まさにそれが光の場合、成立するらしい。
2)光の場合
2-1)電場と磁場の関係
光は電場Eと磁場Hを持つ。その電界Eをy成分だけとして Ey=Asin(ω(x-Ct)) としよう。
電場をEy=Asin(B(x-Ct)) とすれば磁場は Hz=(A/(Cμ0))sin(B(x-Ct)) となる。後に証明されるC^2μ0ε0=1 を考慮すれば Ey/Hz=√(μ0/ε0) である。「考察 光速度不変の原理」より
よって磁場Hはz成分だけを持ち Hz=A√(ε0/μ0)sin(ω(x-Ct)) となる。
この時点で少々面倒になりそうである。そこでA=√(μ0)と仮に一時的に置けば
Ey=√(μ0)sin(ω(x-Ct))
Hz=√(ε0)sin(ω(x-Ct))
となる。ここで改めて任意の振幅Aを取って
Ey=A√(μ0)sin(ω(x-Ct))
Hz=A√(ε0)sin(ω(x-Ct))
とする。この方が計算が楽だ。(^^)
2-2)エネルギ-密度U
光の周波数をν,波長をλとするなら、上記ωとν,λの関係が決まる。sin(ω(x-Ct))から求めれば
ωλ=2π Cω/ν=2π
であり、このふたつより C=λν となる。ただし計算上面倒なのでしばらくωを残しておく。
光子のエネルギ-として良く出て来るのが
- (∂/∂t)[(1/2)ε0E^2+(1/2)μ0H^2]=E・I+div(E×H)
でありこの内[ ]内の (1/2)ε0E^2+(1/2)μ0H^2 をUとした式
U=(1/2)ε0E^2 + (1/2)μ0H^2 の式である。
このUはエネルギ-密度とされている。この式の出し方は5)付録 U=(1/2)ε0E^2 + (1/2)μ0H^2 の式 にて扱う。
この式の大きさだけを扱うと 電界Eをy成分だけ、磁場Hはz成分だけを持つとして計算すると
(1/2)ε0E^2=(1/2)ε0Ey^2
=(1/2)ε0[A√(μ0)sin(ω(x-Ct))]^2
=(A^2/2)(ε0μ0)sin(ω(x-Ct))^2
=(A^2/2)(1/C^2)sin(ω(x-Ct))^2 ;ε0μ0=1/C^2
計算は同じなので省略するが (1/2)μ0H^2=(1/2)μ0Hz^2=(A^2/2)(1/C^2)sin(ω(x-Ct))^2 ;ε0μ0=1/C^2となる。要するに
(1/2)ε0E^2=(1/2)μ0H^2 であり
U=(A/C)^2(sin(ω(x-Ct)))^2
である。
一方 (E×H)は電界Eをy成分だけ、磁場Hはz成分だけとするならx成分だけしかもたない。(E×H)自身はまだベクトルであるがx成分だけでありその大きさはEy*Hzであるから
(E×H)x=Ey*Hz
=A^2√(μ0ε0)(sin(ω(x-Ct)))^2
=(A^2/C)(sin(ω(x-Ct)))^2=U*C
である。
また div(E×H)=∂(E×H)x/∂x+∂(E×H)y/∂y+∂z(E×H)/∂zであるが(E×H)x以外は0であるから
div(E×H)=∂(E×H)x/∂x
=∂(U*C)/∂x である。
要するに
- (∂/∂t)[(1/2)ε0E^2+(1/2)μ0H^2]=E・I+div(E×H)
の式は
- (∂U/∂t)=E・I+∂(U*C)/∂x となる。−式1)
2-3) 光子のエネルギ-S
通常エネルギ-はEを使うのだが電界Eと紛らわしいのでエネルギ-をSとする。
光子そのものを考える時 I;電流 は0にして良い。それなのに何故わざわざE・Iを残したのかは光子のエネルギ-とUの関係を解き明かすためである。
E・I つまり電界と電流! とりあえず向きを同じにして大きさだけを取り扱う。E・I自身はスカラ-であるから
E・I=E*I=(∂V/∂x)*I V;電圧
=∂W/∂x W;ワット
これは ∂V/∂x=E 電界は電圧を距離で微分したもの と W=VI 電圧*電流はワット の式の組み合わせだが同時に電流は距離に無関係と仮定して初めて成り立つ。
物理においては足し算、引き算可能なものは同じ物理単位に限られる。つまり 式1)の右辺
E・I+∂(U*C)/∂x=∂W/∂x+∂(U*C)/∂x
が可能なら W=U*C でなければならない。ところでW;ワットとは1秒間あたりのエネルギ- すなわち S/t であるから
W=U*C → ∂S/∂t=U*C S;エネルギ-
S=C∫U∂t となる。
一方式1)の左辺とE・Iの関係
- (∂U/∂t)=E・I
これも足し算、引き算可能でなければならないから単位として
∂U/∂t=∂W/∂x → ∂U(∂x/∂t)=∂W
→ C∂U=∂W ;∂x/∂t=C
→ W=U*C となる。つまり同じとなる。
一方 ∂U/∂t=E*I=E*∂Q/∂t と見立てるなら
∂U/∂t=E*I=E*∂Q/∂t
=∂(E*Q)/∂t
となり U=E*Q つまり電界*電荷=力 と見立てることも可能だろう。ならば
S=∫F∂x
=∫U ∂x ;エネルギ-=力*距離
もまた可能かもしれない。
ここにわれわれはエネルギ-Sの計算式として下記ふたつを得ることになる。
S=C∫U∂t と S=∫U ∂x
SはどっちみちUの積分である。積分範囲は0から∞だろうが、ひとつの光子としてみればtは1周期分 t=0〜1/νまでの積分 xは波長分 x=0〜λまでの積分でよかろう。よって
S=C∫01/νU∂t=A^2C∫01/ν(sin(ω(x-Ct)))^2∂t
と
S=∫0λU∂t=A^2∫0λ(sin(ω(x-Ct)))^2∂x
となる。
ここでY=sin(ωx)について検討する。この波長はλとする。
-1<=Y<=1 0<=Y^2<=1 となるのはすぐに分かる。
cos(2ωx)=(cos(ωx))^2-(sin(ωx))^2 より Y^2=(1/2)(1-cos(2ωx)) となる。
よって∫0λ(sin(ωx))^2∂x は図の水色の面積になる。これをSyとするなら波長がλと言うことは『AC100V』で展開した論法が使える。(最後の図)
わざわざ計算しなくとも図のSyは
Sy=∫0λ(sin(ωx))^2∂x=(1/2)λ
である。
∫01/ν(sin(ω(x-Ct)))^2∂t にも同じ論法が使える。
Sy=∫01/ν(sin(ω(x-Ct)))^2∂t=(1/2)(1/ν)
である。ここでエネルギ-Sの計算式をふたつ、具体的に計算する。
S=A^2C∫01/νU∂t=A^2C∫01/ν(sin(ω(x-Ct)))^2∂t
=A^2CSy
=A^2C(1/2)(1/ν)
と
S=∫0λU∂t=A^2∫0λ(sin(ω(x-Ct)))^2∂x
=A^2Sy
=A^2(1/2)λ
このふたつのSが同じなら A^2C(1/2)(1/ν)=A^2(1/2)λ→ C=λν となる。波長*周波数=光速 ウム 正しい。
よって光子ひとつのエネルギ-Sは
S=A^2C(1/2)(1/ν)=A^2(1/2)λ
となる。
2-4) 組み合わせ
S=A^2C(1/2)(1/ν) と S=hν (E=hν) を組み合わせると
A^2C(1/2)(1/ν)=hν → A^2=(2h/C)ν^2 → A=√(2h/C)*ν
というトンでもない結論を得る。
さて A=√(2h/C)*ν とした。これはあくまで最初に
Ey=A√(μ0)sin(ω(x-Ct)) Hz=A√(ε0)sin(ω(x-Ct))
としたものにしか適用できない。よってEyの振幅をAy、Hzの振幅をAzとするなら
電場振幅Ay=√(2hμ0/C)ν 磁場振幅Az=√(2hCε0/C)ν である。
3)疑問!
一応これで予言した結論 電場や磁場の振幅は周波数νに比例するであろうと言う結論に達したわけだがある種のパラドックスを感じる。正確にはパラドックスとは言えない。パラドックスといえるか否かも不明である。要するに気味が悪い!
3-1)『全ての光はE=hνを満足する』と仮定した場合
仮に『全ての光はE=hνを満足する』と仮定しよう。
今静止した光源から周波数νの光を出したとする。するとその光は
電場振幅Ay=√(2hμ0/C)ν 磁場振幅Az=√(2hε0/C)ν
なる振幅を持ち、E=hνの光量子として空間に飛び出していることになる。
これを光源に向かって速度Vで近づいている観測者にはどう観測されるのか?
観測者が観測する周波数,振幅,エネルギ-を各々 ν’,Ay’,Az’,E’ と[ ’ ]を付けて表す。
もちろん 周波数は ν’>ν であるν’に変化する。では振幅も Ay’>Ay Az’>Az なるAy’、Az’に変化するのであろうか?
『全ての光はE=hνを満足する』とした以上、ν’>ν なら E’>E でなければならず、その結果、周波数も振幅も変化するとしなければならない。では「光のドップラ−効果からも振幅も変化するという結論」を導けるのかと言えばできない。
3-2)『ドップラ-効果による光はE=hνを満足しない』と仮定した場合
では逆に『ドップラ-効果による光はE=hνを満足しない』と仮定しよう。
同じように E=hνの光量子が
電場振幅Ay=√(2hμ0/C)ν 磁場振幅Az=√(2hε0/C)ν
なる振幅を持ち、空間に飛び出していることになる。
これを光源に向かって速度Vで近づいている観測者にはどう観測されるのか?
観測者が観測する周波数,振幅,エネルギ-を各々 ν’,Ay’,Az’,E’ と[ ’ ]を付けて表す。
もちろん 周波数は ν’>ν であるν’に変化する。だが振幅は Ay’=Ay Az’=Az で変化しない。
振幅が変化せず周波数だけ変化するとどうなるのか? E≠hν だがエネルギ-E’は大きくなるか小さくなるか?最初の予言に戻るのだが E’<E になる。小さくなるのである。
どちらもどちらである。ドップラ-効果で観測されるν’に合わせて振幅も変化するとすべきか、変化しないとすべきか? あるいは ドップラ-効果で観測されるν’に合わせて光子1個のエネルギ-も変化するとすべきか、変化しないとすべきか?
ただパクパクとしては『電場や磁場の振幅は周波数νに比例する』のは光子がまさに生まれた瞬間にしか作用しないのではないかと思うので『ドップラ-効果による光はE=hνを満足しない』とした方が良いように思える。以前光子が生まれる瞬間は超光速で電場や磁場が伸びるように書いたものだが、まさにその瞬間の隠された法則ではないかと思っている。もちろん非科学的と言われればそうなのだが(^^)
感傷的だが宇宙空間に充満する電磁波のエネルギ-密度が観測方法によって変化するのは避けたい。
これは E=hν を満足するように電磁方程式に手を加えただけである。電磁波の振幅を別の方法でもっとストレ-トに表せるのなら、プランク定数hを他の物理定数を使って表せるかもしれないのだが、今のパクパクにとってはまだ夢の夢である。
誰か挑戦してみませんか?
4)結論
宇宙背景輻射と言うものはどうもつかみ所がない。要するに宇宙の真空部分は熱の形で電磁波を貯めこんでいると言うことらしい。それでその宇宙に充満する電磁波に対して地球が移動しているなら 宇宙背景輻射はドップラ-効果を起こすのだろうか?
起こすのであれば、地球は宇宙の中心ではないから元ビックバンを起こした中心から見れば遠ざかる。だから地球からビックバン方面を見れば背景輻射は赤みを帯びるし、逆方向は青くなる.....のかなぁ〜
そうすると地球から見る宇宙背景輻射は薄いグラディエ-ションがかかることになる。地球以外の観測系からは違うグラディエ-ションになる。観測によって宇宙背景輻射は文字通り「温度差=エネルギ-密度」が観測される?
まぁこんな 理由でドップラ-効果による光はE=hνから外れるだろうとしたのだが読者の皆さんはどう思われるだろうか?
例によって頂いた資料を散々分析してパクパク流に解釈し直したわけだが、これも例によって間違っているかもしれない。それでも振幅はνと比例しなければE=hνは成り立たないと思われる。

マンガのように原子や分子から光子が生まれる瞬間に振幅はνと比例させることによって、そう言う光子しか外に出さないことによって、E=hν が結果として成り立つのだろうと言うのが今回の結論である。
5)付録 U=(1/2)ε0E^2 + (1/2)μ0H^2 の式
マクスウェルの方程式
divD=ρ divB=0 rotE=-∂B/∂t rotH=I+∂D/∂t
D;電束密度 B;磁束密度 E;電場 H;磁場 ρ;電荷 I;電流
の内 rotH=I+∂D/∂t を rotH-∂D/∂t=I として両辺と電場 E との内積をとる。
E・rotH-E・∂D/∂t =E・I
また、rotE=-∂B/∂t を rotE + ∂B/∂t = 0 として両辺と磁場 H との内積をとる。
H・rotE+H・∂B/∂t= 0
出来た二つの式を引き算して、
E・rotH-E・∂D/∂t-H・rotE-H・∂B/∂t=E・I
-E・∂D/∂t-H・∂B/∂t= E・I+ H・rotE-E・rotH ;整理
となるが、ここで div(E×H)=H・rotE-E・rotH という公式を使ってやれば、
-E・(∂D/∂t)-H・(∂B/∂t)=E・I+div ( E×H )
のようにまとまる。ここで
D;電束密度 B;磁束密度 E;電場 H;磁場
は D=ε0E B=μ0H とするなら
左辺=- E・(∂D/∂t) - H・(∂B/∂t)
=-ε0E・(∂E/∂t)-μ0H・(∂H/∂t)
=- ( ∂/∂t )[(1/2)ε0E^2+(1/2)μ0H^2]
となり、
- (∂/∂t)[(1/2)ε0E^2+(1/2)μ0H^2]=E・I+div(E×H)
となる。
AC100V 平成19年4月22日作
E=hν は「周波数νの波はそれに比例したエネルギ-を持つ」と言うことになるわけだが、無条件に拡大して「周波数νの波はどんな波でもそれに比例したエネルギ-を持つ」とはならない。良い例ではないが交流100Vを使用する機器のワットを計算してみると分かる。やってみよう。
良く知られた電気の公式
オ-ムの法則 V=IR 各々V;電圧 I;電流 R;抵抗
と
ワットの法則 W=VI W;ワット
を組み合わせて W=V^2/R とする。弱電において 1/4W,1kオ-ムの抵抗と直流24Vは鬼門である。なぜなら W=24^2/1000=0.528>0.25(=1/4) であり、うっかり1/4W,1kオ-ムの抵抗を直流24Vに繋いだら燃えてしまう!。もちろん1k以下の1/4W抵抗も燃える。
このW(ワット)は図にするとこうなる。
言葉にすれば『Wとは1秒間に発生する 又は 消費するジュ-ルエネルギ-である』ことになる。
もともと 電流Iは1秒間に流れる電荷量 I=Q/t である。この式をW=VIに代入させると
W=QV/t
である。このQVはエレクトロンボルトでお馴染みのエネルギ-であることからもWの定義は出て来る。ワットとはエネルギ-を時間で割った単位なのである。
この原理を交流に適応させる。交流電圧をV=Asin(ωt)とする。ただしωは角速度とする。
交流の場合 電圧Vは時間によって刻一刻変化している。よってV^2も刻一刻変化する。
数学的にはV^2=A^2・[sin(ωt)]^2 であるが
cos(θ+φ)=cos(θ)cos(φ)-sin(θ)sin(φ)であるのでφ=θとすれば
cos(2θ)=cos(θ)^2-sin(θ)^2=1-2sin(θ)^2
つまり sin(θ)^2=(1-cos(2θ))/2 である。
よってV^2=(A^2/2)・[1-cos(2ωt)] である。
図では縦軸V^2/Rに合わせて /R を追加しV^2/R=(A^2/2)・[1-cos(2ωt)]/R とした。

交流でも極短い時間凾狽ナのワットは直流と同じになる。すなわち
儻=(V^2/R)冲
よって W=∫01(V^2/R)dt=∫01(A^2/2)・[1-cos(2ωt)]/R)dtとなる。図では山がいくつか連なって表現した部分である。これを計算して集計すれば良いのだが、ビジュアル的に理解することも出来る。1秒間にnサイクルと割りきれたとすれば元の信号の半サイクル分は下記の様になり 「高さV^2/Rの山は高さ(A^2/2)/Rの四角形」になる。

早い話
高さ A^2/R で現れる山ひとつひとつの面積は同じ底辺を持ち高さが(A^2/2)/Rである四角形と同じ面積を持つ。
よって
交流電圧 V=Asin(ωt) に抵抗Rを繋いだ時、抵抗が消費するワット、(=1秒間あたりのジュ-ルエネルギ-)は
W=(A^2/2)/R
となる。
DC100Vに抵抗100オ-ムを繋いだら W=V^2/R=100^2/100 であるから計算して100ワットである。
同じ抵抗に交流電圧を繋いで同じように100ワットにするのは
W=(A^2/2)/R=(A^2/2)/100=100 であるから A^2=100^2*2 となり、 A=√2*100 でなけれならない。
これがAC100Vの振幅が√2*100 である理由である。一般的に交流電圧Vのピ-ク電圧は√2*Vである。
出力100Wの電化製品を50HZ地帯である関東で使おうと60HZ地帯である関西で使おうとどちらも100Wである。Wは周波数に依存しない。
よって「周波数νの波はどんな波でもそれに比例したエネルギ-を持つ」とはならない。
もちろん ただのAC100V(?)と光子の E=hν とはチガウと言えばそれまでだがどう違うのか?
それはこれからのテ-マです。アイデアがあれば知らせてください。
アリス;皆さん 明けましておめでとうございます。毎年この寄り道は絵が変わります。ダンダン町に向かって歩いていくイメ-ジです。今年も明るい空の下でかなり町に近づきました。
テリス;おめでとうございます。絵はこの『寄り道』の抽象のつもりです。最初は「Q&A」を収めるファイルでしたが本偏で収まりきらない物を扱うのもこの『寄り道』の役目です。
アリス;その意味では今年も寄り道は明るい感じです。でも扱うものが少ないと去年と同じように「新年のアイサツ」と「忘年会」だけになりますけど(^^)
テリス;ある意味、1年を通した右往左往の記録であり成長の痕跡でもあります。
アリス;....てな具合に紋切り型にあいさつしてもつまらないなぁ〜...干支による簡単なあいさつはこちらです。去年が何もなかったので『寄り道』を合併しました。
テリス;去年と違って今年は賑やかにするつもりですのでよろしくお願いします。
チョンチョン

・・・・・・・ガラガラガラ・・・・・・
アリス;コンバンワァ〜 今年もお邪魔します。
テリス;パクパクさんはまだみたいだね。
マスタ−;ラッシャイ! 何にしますか?
アリス;とりあえずビ−ルね!
・・・・・・・ガラガラガラ・・・・・・
パクパク;コンバンワァ〜 今年もお邪魔します。とりあえずビ−ルね!・・・・・・ってもう来てたの?
アリス;今来たところだよ、私達もパクパクもビ−ルも。ポン&トクトク
テリス;ではとりあえずパクパクさん 一言!
パクパク;うむ! え〜... 今年の寄り道は本当に「新年のアイサツ」と「忘年会」だけになりますけど(^^) まぁ無事に今年も過ごせましたことを祝しまして カンパイ!
アリス&テリス;カンパイ! & グビグビグビグビ........
テリス;プッハ〜 ...ところでパクパクさん。今年の軌跡を振り返ると
パクパク;プッハ〜 ...うむ! 前半部は核融合アルカルト3(H18.08.03アップ)に費やしてしまった。ただの『相対性理論批判』から一歩踏み出したわけだが..
アリス;プッハ〜 去年から続いたこの「核融合アラカルト」シリ-ズはそれなりに面白いと思うよ、適当に暴走気味だし..
パクパク;うむ 多少暴走しないと面白くない。(^^)
テリス;それにしても一般的な解釈は何故かウソとしか思えない記述が多いね! 『中間子は陽子や中性子にキャッチボールされて、力を伝える。』とか!
パクパク;それがアルカルト3の導入部だけど面白い話もある。中間子は陽子や中性子にキャッチボールされて、力を伝えるわけだがそれを引力にするため中間子をブ-メランのように飛行させようと言うわけだ!
アリス;う〜む 確かにブ-メランを投げる時と受け取る時、お互いに近づくように力を作れそうだけど...宇宙空間でブ-メランを投げても戻ってくる物なの?
テリス;まず無理! ブ-メランの動きは回転しながら飛ぶ時に浮力を得ることで作られる。だから浮力の元である空気が要る。
アリス;っと言うことは! 宇宙空間でブ-メランを投げてもまっすぐ飛ぶだけ! ミニ宇宙である原子の世界でブ-メランの動きを作るのは中間子が「くの字型」でかつエ-テルが復活しないと出来そうもナイ。マスタ− ビ−ル追加ね それと適当におつまみ!
テリス;どこ向いて注文してるの?
マスタ−;<<向うを向いて>> 注文入ります。ビ-ルみっつ! オデン3皿!
パクパク;洒落が分かるマスタ−だな
テリス;キタキタ ゴクリ...ところでパクパクさんゴクリ...この問題はもっと基本的な矛盾がゴクリ...
パクパク;うむゴクリ...確かにある。ゴクリ
アリス;飲むか喋るかどっちかにしたら? ゴクリ&パクリ
パクパク;うむゴクリ...っと..相手がある場合引力であろうと斥力であろうと中間子をキャッチボ-ルするとして相手がない、一人ポツンとある時は中間子を出さないとしないとツジツマが合わない。
アリス;そりゃ〜 電子の200倍の質量を持つ中間子をポンポンばら撒いていたらすぐに質量が0になって消えてしまうわなぁ〜
パクパク;うむ だからキャッチボ-ルする前に相手がいることを知らなきゃならない。
アリス;もしもし中性さん(中性子?) わたし陽子(ヨウコじゃないヨウシ)よ! これから中間子を投げるからよろしくね!
テリス;オ-ライ 内角低めのストレ-トで頼む! トカ(^^)
パクパク;うむうむ ソウソウ! ゴクゴク....プッハ〜...で次にアップしたのが『プランク定数h』H18.10.30だ。
アリス&テリス; ^}{^
アリス;愚痴っぽくなってない?
テリス;うむ ピッチも早い!
パクパク;この『プランク定数h』は単なる通過点のつもりだった。学生の頃読んで分かったトコロだから簡単だと思っていた。ところが...
テリス;確かに導入部は誰でも納得できそうなトコロだと思うねゴクリ! &パクリ
アリス;でも気が付けばニッチもサッチも行かない問題が出てきた。それが『熱による発光』H18.11.14アップ。
パクパク;実際に悩んだなぁ〜 一応expに入れる時は*2π、出す時は/(2π)するとツジツマは合ったのだが
アリス;それが本当ならアラカルトの計算式も見直さないとね!
テリス;だけど今までそんなことに神経を使ったことはないし、どこか胡散臭い!
パクパク;しかし科学とはこう言う日常的なことから始めるべきかもしれない。
テリス;やれ 黒体輻射が空洞輻射が断熱膨張係数がスベッタコロンダしないでね。
アリス;鉄を熱すると赤く輝いてくる。ナンデナンデ? あたりから(^^)
パクパク;それって結構難しいよ。フゥ〜......
アリス;うむ それで今年の反省と来年の抱負なんかは?
パクパク;そうだなぁ〜 今年はやたらと忙しくて丁寧さが欠けていたかもしれない。相対論も量子力学も逃げないから来年はゆっくり丁寧に面白く展開することを心がけよう。
テリス;そんなところで今年の忘年会はお開きとします。来年もお付き合い下さい。
パクパク&アリス;どうぞ よろしくお願いします。
チョンチョン
アリス;皆さん 明けましておめでとうございます。毎年この寄り道は絵が変わります。ダンダン町に向かって歩いていくイメ-ジです。今年は明るい空の下でかなり町に近づきました。
テリス;おめでとうございます。絵はこの『寄り道』の抽象のつもりです。最初は「Q&A」を収めるファイルでしたが本偏で収まりきらない物を扱うのもこの『寄り道』の役目です。
アリス;その意味では今年の寄り道は明るい感じです。でも扱うものが少ないと「新年のアイサツ」と「忘年会」だけになりますけど(^^)
テリス;ある意味、1年を通した右往左往の記録であり成長の痕跡でもあります。
アリス;町に入ったらどうなるかはわかりませんが今年は何を考え、何を扱うか、楽しみにして下さい。
テリス;簡単ですがこれにて2006年のあいさつといたします。
チョンチョン