タグ別アーカイブ: レーマーの光速度算定

空間とベクトル

物理学基礎理論、理科教育、科学教育、自然、自然科学、電気工学、光学、、、、、、、、

眼前に広がる空間は実在空間である。その空間をどのように認識するかは易しいようで結構難しいかもしれない。その訳は、有名な科学者が五次元空間とか、多次元空間とかの科学論を話題にするが、どう考えても時間の次元を加えても４次元空間しか理解できないのだ。科学者の論理は難しい。そこには抽象化の論理展開が原因に成っているからなのかもしれない。５次元空間は実在空間と異なる抽象化空間だから自分には理解できないと諦める。

４次元空間(実在空間と抽象空間)　３本の互いに直交する直線の座標軸に時間の次元を加えて、眼前の空間に展開される自然現象を捉えることが出来る。ただその４次元空間と言っても、その認識する人の意識が同じとは言えないように感じる。観測者としての立ち位置をどう捉えるかという大きな問題が潜んでいる。『認識する空間』とは何かに答えなければならない問題を抱えているのだ。さらに、自分にとっては４次元空間でも実在空間と抽象空間の二つがある。

%e3%83%99%e3%82%af%e3%83%88%e3%83%ab%e3%81%a8%e7%a9%ba%e9%96%93%e5%ba%a7%e6%a8%99ベクトルと空間座標(②の図で、sinφは負になる)　図のi j k nα nβ nγ などはすべて単位ベクトルであり、大きさ１の方向性を規定する重要なベクトルである。先ず４次元の実在空間がある。眼前の空間は光に満ちている。光は日常生活そのものを照らす実在である。物理学理論を持ち出さなくても、日常感覚に溶け込んでいる。光は直進する。その速度は毎秒３０万キロメートル進む。ただそれだけの意味の光の性質を元に、眼前の４次元空間に光の運動を考えてみよう。例えばビーム性の高い『レーザーポインタ』のような光源を取上げよう。その指向性の高い光パルスを１秒間真上に向けて放射したとする。その時の光の軌跡はどのように描かれるかと言う単純な問題である。その光のビームは連続的な一本の線を描くであろう。その線が直線であるか曲線であるかを問うのである。こんな余りにも素人らしい日常生活者の視点からの疑問がとても科学論には重要であると考えるのだ。光は１秒間に３０万km進むから、光の軌跡もその長さは３０万kmになる。さて光が直進すると言う意味はどのような意味なのだろうか。その時、光の進む空間をどのように認識するかが基本的概念になる。眼前の実在空間は光に対してどのような意味を持つのかである。自分が立っているのは地球である。地球は太陽を中心にして公転しながら自転している。太陽がどのような速度かは分からない。しかし、地球の速度を公転で考えても大よそ毎秒３０kmと言われている。この地球の速度と光の速度との関係を実験で確認しようとしたのが二人の科学者マイケルソンとモーリーである。実験では上手く行かなかったが、考え方は正しいのだ。上の図の①は光が曲線を描くことを示した。光は光の放射源から空間に放射された途端に、放射源から完全に自由な光自身の空間伝播特性に従ってそのエネルギー伝播現象を示す。そのように光が直進することで決まる空間を光規定空間座標と考える。地球の空気層ではその媒体の特性の影響を受けるが、基本的には放射源の運動には支配されない。この問題は、光の相対速度を認識するかしないかの問題であり、認識する一人ひとりの解釈の問題である。光は『相対速度』でしか観測されない。その実験的証明は、レーマーの木星の衛星観測からの光速度算定実験に示されている。実験室での光観測実験では、光源と観測者が相対的に同一速度で運動しているから、光の相対速度は打ち消されて、観測できないのが普通の伝播現象である。やはり、実験に基づいた科学論を大切にすべきである。

電気工学と空間座標　空間とベクトルと言う標題で記事にした訳は、瞬時虚電力と言う電力理論の意味を分かり易く解説できたらとの願いで、考えている内に解釈の空間座標の意味を明らかにして置こうと思ったからである。『静電界は磁界を伴う』と言う実験結果の座標は実在空間座標になろう。コンデンサのギャップ空間の磁場を検出するのは普通の実験空間である。しかし、瞬時電力理論で展開する座標は独特の抽象化された、実在しない空間概念である。上の図②のように、一般に科学技術論で取り扱う空間座標は抽象化座標が殆どである。その抽象化された概念が専門家にとっては日常的にありふれた概念であるから、市民が理解するには無理がある事を余り意識せずに過ごしている。数学式で表現されると途端に難しくなる。数式で表現できる概念は、たとえ長い文章になっても日常用語で説明できる事が科学研究者の責任であろう。そんな意味で瞬時虚電力とは何じゃろうかとここに来て悩んでしまった。空間瞬時ベクトル解析法と交直変換器への適用は３０年程前にまとめた論説であるが、なかなか良く出来ていると自分で書いていながら、読み直しても考えてしまう。世間知らずの無鉄砲人生の闇に翻弄されていた頃の思い出を乗せた論文資料だ。その意味を解説するに抽象化する科学技術の空間座標の意味を高校生にも何とか理解してもらえないかと思っての準備である。街なかの配電線路を見て、その中に在る自然現象としての『エネルギー』の振る舞いが日常感覚で何となく分かるようになればと思っている。

振り返って　図①の光の伝播ベクトルと空間の意味は、自由空間における光の伝播特性と周波数　日本物理学会講演概要集　第53巻第2号第1分冊　p.87 (1998)、光伝播時間算定のための瞬時空間ベクトル解析法　同上第54巻第1号第1分冊　p.77(1999)　2軸回転系の光伝播特性　同上　第55巻2号1分冊 p.77 (2000) にある。さらにこの関係でお恥ずかしい思い出がある。1999年7月中頃と思うがNatureに投稿したことがある。Instantaneous Space Vector Analysis of Light Energy of Root Element in Free Space 受付番号KO9198 とあるが、その当時に小杉文部大臣がロンドンに出向いて、この論文の処理に当たっていたように思う。その意味が理解できないが、natureからはregretと返送されて来た。これは光の相対速度を論じたもので、すでに光の速度と空間特性(2011/05/22)に示した。

ゆっくりと遠近の世界をー速度｢理科基礎｣－

物理学基礎理論、理科教育、自然、自然科学、哲学、、、、、、、、、、、、

大それた疑問は生きている意味を問う自己確認の旅かも知れない。それが人生か。生まれた時の産声は人生を問う第一声でもある。何も知らない世界だから、保護されながら生きられる。すべてが恐怖の世界の筈だから。そこに向けた第一声が記念の産声だ。その時から長く生きながらえると、生意気にも哲学などと訳の分からない事を穿り返したくなる。始末に負えない生物になる。しかし、特段社会に害を及ぼす訳でもなく、極めて冷静・平穏な筈であるが、幾ばくかの差し障りを生むかもしれない事は我知らず。自然科学などと数式を頼りに論を展開している内に、いつの間にか余り数式が頼りにならない心境になってしまい、己の数学的能力の限界を悟る。止むなく学術的でない日常用語での科学論を展開する仕儀になってしまったのかと。感覚だけが頼りの『時空論』をと考えてみる。自然世界の現象を理解するには『速度』が物理現象には欠かせない。究極は『光速度』とはどんなことかを認識することに尽きるように思う。華やかな世界の科学理論｢一般相対性理論｣は理解の程遠い話だから、産声を立てる心算で、身近な感覚から眺めよう。高等学校での物理で取上げる自然現象の『速度』とはどんな意味かを考えながら。
空間　『空間』は世界の基盤である。世界の事象を考える、考えないに関わりなく、その空間の意味を疑問には思わなかろう。生まれた時からその空間世界に同化して生きて来たから。

写真285手のひら　手を広げてみれば、その空間は宇宙の果てまでつながっている。手のひらに宇宙を乗せていると思っても良かろう。世界の考え方は自由である。青空の下であれば、その空に向けた手のひらには微かでも何百億年前に遠い星の放った光が届いているのだ。今手のひらの向きとその光の基の星の位置とはどんな関係にあるかと不図思う。今届いた光の軌跡は観る事は出来ない。想像する以外に軌跡を知ることは出来ない。星は何百億年の時を経た今、手のひらの裏側に在るかもしれない。空間の意味を世界を知る基準として捉えようとすれば、そこには不可能の意味を同時に知る事にもなろう。灯りの無い砂漠の平原で満天の星を眺めた時、一つ一つの星の光はすべて遠い過去に放たれた、しかも時間の違う時代の光なのだ。１万年前の星座と今見る星座とにどんな違いがあるかも知ることは出来ない。世界はすべて流れているから。決して静止していないのだ。すべての星の光は星との相対運動の下での観測になる。だから観測波長も相対速度の下での観測になる原則から逃れられない。世界の存在する『空間』も、その意味を知ることはなかなか難しい。空間を少し数式で考える時空間ベクトルと単位ベクトルで扱う。
時間　『時間』とは何かと問う人がいる。それに答える人もいる。様々な事柄がインターネットの中に行き交う。『相対的・・』などと問答が展開されるのが多いようだ。日常当たり前に疑問も抱かない時間とは何かと問う人は、きっと現代物理学論の話題に興味を持ち、勉強をしているからなのかも知れない。そんな疑問を持たれる人がいる事に興味を持って、少し考えてみた。私は思う。『時間』など自然には無いのだと。自然はただそこに今ある姿を示しているだけで、『時間』などと言うものは無い。『時間』で自然を見ようとするのは人間の『性(ｻｶﾞ)』故のことでしかない。理屈を付けて因果関係を理解するために時間を必要とするからである。日の出と日没で生命にリズムが生まれるが、それは人間の為に創った訳ではなく、自然そのものでしかない。『時間』と言う概念がどうしても欲しい。そう感じるのが人間だから、その訳を探ってみるのも良かろう。太陽も地球も空間に存在する為には静止しては居ない。回転によってその存在形態を造っている。その結果が回転に伴うリズムを生む。そのリズム(生命のリズム)そのものが生命の存在するリズムの基本となっている。回転は輪廻転生と言う同じ事は許さない原理を創りだしている。生命に限りがあるのも自然のリズムがある故である。「生きたい」という願う心にはリズムの『時間』が刻みつけられている。生きる安心の為に『時間』を意識するように自然に生かされた存在なのだ。大した事ではないのだが、自然を『モノの理』として納得したくなるのも人間の性であろう。大自然の実相を悟るなど度台無理な筈なのだが、何とか理屈を付けておきたくなるのも人間であるが故だ。纏めれば、『時間』には二つの意味があるか。一つは人間の概念：社会集団生活上不可欠な『時間』。二つ目に生命のリズム：自然の本質である回転のリズム。宇宙の空間と時間を考えた時、世界の始まりも終わりもない。地球や太陽系は無くなる時が来るかも知れないが宇宙は輪廻転生の原則で決して消えない。特別の理論など要らない。

光速度　『速度』という意味をどのように理解してるか。｢空間｣と『時間』について述べた。世界に静止する実在は｢空間(何もなく、動かない広がりであるが故に世界が存在できる)｣である。太陽の運動、地球の運動と言えば、その運動(位置と『速度』)を定義する基準座標が決まらなければ運動を論じられない。自然の世界を理解するということは、安易な法則で捉えようとしても無理がある。自分の運動を考えるに、『速度』は地球の自転、公転の上に地上の観測できる速さの総体として受け取らなければならない筈だ。それでも太陽系内での話である。短距離走１００ｍの世界記録と言えば、トラックの地面を『速度』の基準座標として捉えている。しかし本当は太陽系全体が回転エネルギーの局所化された運動形態である。この辺の事について地球の自転と万有引力を考えるで少し論じた。その中の日常には関わりないとしても真理は全体の中の一部になっていると頭の片隅に置くべきであろう。物理学では、運動などの力学的エネルギーとして、運動エネルギーと位置エネルギーの二つで捉える解釈法が採られている。我々は太陽に拘束されて生かされている。ならば、地球に対する太陽の重力加速度(もし位置エネルギーを唱えるなら)など余り考えないようだが、それも無視出来なかろう。運動法則が自然世界の真理と言うなら、地球の太陽系での力学的エネルギーも宇宙論の基盤に理解できなければならない筈だ。『エネルギー』は力学的エネルギーだけが物理学で基礎概念として教育内容の対象に論じられるが、その教科書的エネルギーなど世界の『エネルギー』の内の一部でしかない。太陽から放射されるエネルギーは光などに質量を定義していないから、力学的エネルギーの範疇には入らないだろう。物理学理論のエネルギー論は片手落ちではないか。そこで再び『速度』とは何かを考える。何故地表座標基準での『速度』だけではいけないかは、『速度』の極限を示す光の『光速度』を問題にしたいからである。光は何を運ぶのか。振動数を運ぶ訳ではない。『エネルギー』を運ぶのである。光を周期波として解釈するが、その半波長でも『エネルギー』なのである。『速度』とは『エネルギー速度』なのである。いわゆる運動エネルギーは質量を媒体とした『エネルギーの速度』と解釈すれば普遍的に捉えられる(私だけの感覚かな？)。『光速度』はアインシュタインの『特殊相対性理論』で世界を席巻して有名である。しかしその理論では、光の速度を規定する空間座標が明確に(慣性座標系は曖昧である）定義されていない。どう考えても理解できない。1887年のマイケルソン・モーレーの実験結果を過大評価した結果、アインシュタインは間違ったと思う。だから『特殊相対性理論』は詭弁論だと。光が特殊な現象を演出する訳でなく何も日常の感覚とかけ離れてはいない事から光の速度と空間特性として纏めた。また関連して、光速度は空間定数(H/m,F/m)で決まる に記した。地球の運動が光の速度との関係で、相対的である事は当たり前な事である。1676年にレーマーが光速度を計算した。それは地球と木星との相対的な運動の影響が、光の速度『光速度』の算定に役立つと考えての事である。もし、アインシュタインの『特殊相対性理論』を唱えるなら、レーマーの実験での地球の運動に基づく『光速度』の算定結果を否定しなければならない筈だ。すべての光は光源と観測者との相対的な関係が観測結果に含まれるのだ。ただ光速度が地球の公転速度（約30km/s）に比べても比較出来ない程の速さである。その光速度測定法における算定には誤差が伴い易い筈だ。マイケルソン・モーレーの実験結果はその誤差を取り除けなかっただけだと解釈する。1933年、Dayton C.Miller, The Ether-Drift Experiment and the Determination of the Absolute Motion of the Earth  Rev.Mod.Phys.5,203(1933) にはマイケルソン・モーリーの追認実験が成され、測定結果も示されている。何故この結果が検討されないできたのか不思議だ。

最後に、速度とは『エネルギー速度』だと結論付けた。水の波、水圧エネルギー波、空気波(音声圧力波)等の波も『エネルギー速度波』であり、エネルギーの伝播速度はその媒体空間特性が決めると解釈する。それに関して専門用語『振動数』の解剖がある。

地球の自転と万有引力を考える

物理学基礎理論、社会科学、科学技術、自然科学、、、、、、

（７月４日追記）　科学は高等数学で記述される。しかし、自然は本当は人に易しく語りかけて来るものと思う。難しい自然法則を掲げられると、それだけで尻込みしたくなる。そんな法則など余り当てにならないと思うようになった。だから「万有引力」などと言う物理学大法則を取り上げて疑問をぶつけたのが下の５月の記事である。今回追記しようと考えた訳は、最近の地球上における、気象異常現象とその多発が気掛かりになったからである。日本の夏の気温が猛暑続きである事は誰も体感している。(2018/11/29)追記。以下の偏西風は間違った解釈であった。地球の自転は貿易風が相対的な気体との関係を生み、その関連から偏西風の方向が生じると考えるべきであろう。それは地球の自転が何によって引き起こされているかとの関わりで考える必要があろう。その訳は物理学で答えられないのであろう。以下＃・・＃間の考えは間違いであった。＃地球の回転速度より早く、大気が吹き回っているのである。地球が自転してその影響で偏西風が起きる訳ではないのである。＃当然中国の上空の温度上昇が西風として日本に流れて来るのである。中国のエネルギー消費の増加に連動して日本の気温上昇が起こるのは当然の帰結である。二酸化炭素がどうのこうのでなく。要するに『エネルギー消費量の増大』が人間の生存環境に大きく影響を与えているのである。暑さを避けるには、貧乏人も、お金持ちもみんなが平等に生きる生活環境を分かち合わなければならない事に気付くべきである。クーラーで暑さをしのぐ経済成長路線が人間の生活環境を悪化加速しているのである。確かに、太陽光発電は二酸化炭素の発生抑制には成る。シリコン原材料の採掘から太陽光発電パネル製品製造過程のエネルギー消費量が発熱の気候環境に及ぼす分を差し引いての話である。原子力や、火力発電のように海水温を上昇させる訳ではないが、森林などの熱吸収効果と比較すれば、とても大きなエネルギー消費による気温上昇の原因には成るのである。『原子力発電の熱の行方』 。気温上昇だけでなく、風水害、森林火災の多発現象は人間の経済成長路線の負の産物である事を認識したうえで、未来の生き方を決めなければならない。二酸化炭素ガスの地球空気層の蓄熱作用は大きいだろうが、海水の温度調節機能は計り知れない大きさである。その海水温度上昇は永久凍土・氷河を融かし、海水の蒸発現象を促進し、大洪水の引き金になっていると解釈する。地球はグローバル化して狭い活動範囲になってしまった。世界中の人がどの様な未来の生活を望むかを、みんなで自然科学・自然の意味を理解して決めて行かなければならない時代に肥大し過ぎてしまったのである。地球環境は、極めて微妙な平衡状態に浮遊する対象であろう。地球が太陽系の中に浮遊する星であれば、多くの打ち上げられた衛星の宇宙ゴミもエネルギーバランスに必ず影響している事を認識しなければならない。また、嫌われるような話になった。

（５月１９日記事）アイザックニュートン(1642-1727)が唱えた｢万有引力｣が宇宙や地球の運動を考える基に成っている。アインシュタインが唱えた『特殊相対性理論』、その発展上の『一般相対性理論』が現代物理学の宇宙論の拠り所と成っているようだ。しかし、それらの相対性理論は私から見れば、間違った理論と言わざるを得ない。何も難しい高等数学の数式が宇宙の真理を説き明かすものでないと確信している。現在『重力波』などが華やかに研究されているが、私には全く意味を成さないものである。そんな難しい事よりもっと身近に大きな疑問が山のように転がっている。宇宙空間が歪むなどと言う前に、何故地球が自転するのか？何故太陽を中心に惑星が同一方向の回転をするのか？上空の偏西風は何故西から地球の回転より早く回るのか？地球を回しているのは何か？等と詰まらぬ日常観測の疑問も『物理学理論』で簡単に説明できなければ、高尚な宇宙理論方程式にどんな意味が有ると言うのだろうかと異議を唱えたくなるのである。『詩心・・』70号「地動説」ってどんな意味？（２０００年７月２２日）ですでに疑問を吐き出しているが、今でも納得できないでいる。月と太陽と地球の運動はどのように理解したら良いのだろう。などと考えてみた。と冒頭にあり、終わりに『この地球の速度を知りたい。太陽の運動速度が解らない限り、自分の足元に不安が付きまとう』とある。先日ツイッターで「マイケルソン・モーリー」の地球の運動と光との相対速度の検出実験(1887年頃で、明治20年に対応する)の問題について触れた。その実験の検出失敗をアインシュタインが早とちりして、光の速度に関しては、日常生活で経験する様な二つの物体の運動に伴う、その相対性は観測上に現れないと言う解釈の基で、光だけは特殊な自然現象と看做さなければならないと言う事を踏まえて、『特殊相対性理論』と言うものを唱えた。ミンコフスキーの光空間とか、とても普通の感覚で捉えられない世界を構築したと言わなければならない。その学説の延長上に現在の宇宙論が有ると言ってよかろう。身近な疑問を挙げれば、地球と太陽が運動していると考えるなら、その運動の基準空間をどう認識するかと言う大問題になる。その基準空間を私は「光規定空間」と解釈する。空間は歪んでもいないし、どんな学説にも左右されず、ただそこに在るだけの全方位均等空間である。宇宙の果てがどの様であろうと地球上からの想像の域を超えることはできない世界と覚悟している。だから『光』が空間をユウクリッド幾何学の直線的に伝播する事によって決定する『光規定空間』が全宇宙に展開しているだけである。広大な空間に様々な形状で、渦巻状や回転体群の星座・星雲が個々別々の軸性を持って、エネルギーの集合局所化としての質量の集合群が生成・消滅の繰り返しとして宇宙世界を形作っているだけである。その空間を支配しているのが、物質の極限状態のエネルギー即ち『光』である。地球が運動していると言うなら、その地球の運動速度を規定する基準空間座標が確定できなければ成らない筈である。それは同時に太陽の運動方向とその瞬時速度を確定できなければならない事をも意味する。こんな至極子供じみた疑問が科学の宇宙論の基本問答として提起され、回答が求められて良いであろうと考える。

レーマー（デンマークの天文学者、1644.9.25-1710.9.19）の木星の衛星観測による『光速度算定』　木星の衛星の回転周期を観測して、地球が木星に近づく場合と離れる場合との間で、衛星の周期に違いが有る事に気付いた。その訳を地球の運動と木星からの光の速度との『相対速度』に原因が有ると解釈したのだろう。1675年に木星と地球との相対運動に基づく『光の相対速度』を算定したのである。現在光の速度は毎秒30万キロメートルと考えられているが、レーマーは光の速度を観測により、毎秒22万キロメートルと算定したようである。少し値が違うが、当時すでに地球と木星の相対運動を基に、光の相対速度と言う基本認識から算定していたのである。その実験内容の意味は｢マイケルソン・モーリーの実験』で求めようとした、地球と光の相対速度検出実験と何ら違わないのである。マイケルソン・モーリーとレーマーの実験結果の違いは二つのミラー間の光の伝播経路の僅かな差に求めた事と木星と地球の相対運動の接近と離遠の大きな差に求めた事との違いが失敗と成功のカギを握る１つの要因となっただけであると言える。以上の事柄から、どう考えてもやはり地球の運動をどのような物だと確定する根拠を明確に示せない。光規定空間座標上に地球の運動状態を定義できないのが残念である。真空空間での光の速度が定義されているのだから、様々な星座や星の地球との相対速度が観測上で確定できれば、光に基づいた地球の運動を確定できるかもしれない。

万有引力とはどのような意味か？　太陽系が身近な天体である。その天体の運行で、何故同じ方向に回転するのかがとても理解できない事である。万有引力で説明しようとしても、太陽への引力と遠心力との釣り合いと言うが、質量も作用点も明確でない事や、公転・自転が万有引力の原理が原因で決まるなどという理屈は成り立たない事等から、総合して考えると万有引力の法則としての意義が信じられないのである。ニュートンは微分積分学を打ち立てた偉人でもある。｢ニュートンの万有引力則の矛盾」（2004年3月の日本物理学会講演概要集第59巻第1号第2分冊 p.315）　で作用点の矛盾を指摘した（旅費が無く発表に参加せず）。それは距離の逆二乗則の距離積分の数学的論理問題の提起でもある。重力定数6.672×10^-11^[㎥/kg・s]はどのように算定して、どう言う意味かは解らない。地球の自転公転で、2000年は4年毎の閏年でありながら、100年に一度は閏年にしない原則に当たる年であるのに、更に特別の事情により閏年の３６６日となるという珍しい２０００年問題の話題になった年でもあったようだ。一年が365日としての自転公転周期に閏年も含めると、地球の一年間の回転数は366と4分の1回転となる。1回余分に回転数が加算される。等と愚かしい事を考える。ついでに誰もが不思議に思うだろうが、何故月は地球に同じ面しか見せないのだろう？万有引力からは説明できない。月は、太陽に対してどんな軌跡を描いているのだろうか？それは万有引力から説明できるだろうか？地球の太陽系における空間エネルギー分布および火星、金星、木星等々の全体の空間エネルギー分布が太陽系の意味を認識するに重要と思うが、それらはどう計算すれば良いのだろうか？等と疑問の山に満ちている地球の周りに、足元に。