物理理科統計力学・相対性理論

5分でわかる「マイケルソン・モーレーの実験」相対性理論を導くことになったこの実験を理系ライターがわかりやすく解説

マックスウェルの方程式と光速度:その5

電磁波はこの絶対慣性系上で静止した仮想的な媒質、エーテルを伝播する波であると考えるのです。異なった座標系での法則や速度が知りたければ、ガリレイ変換によって求めればよいことになります。この立場は当時としては最も常識的な考えでした。全物質世界の重心に固定された慣性座標系が他の慣性系に比べて絶対的な意味をもつとしても、それは特におかしくないように感じます。マックスウェルも当然この立場でした。

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マックスウェルの方程式と光速度:その6

これに対して第2の立場は、すべての慣性系は完全に平等であるとする相対性原理は絶対的真理であり、マックスウェルの方程式はすべでの慣性系で成立していると考える立場です。しかしこの立場に立てば、あらゆる慣性系で電磁波が光速で伝播することなってしまいます。これは当然ガリレオの相対性原理と矛盾するでしょう。エスカレーター上で歩けば階段を歩くのに比べて地面に対して速く運動することは、日常生活での常識のはずです。

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マックスウェルの方程式の中の光速は、エーテル中での速度であるとマックスウェル自身も考えていたようだ。そして、それは間接的にエーテルの存在証明にもなる。

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マイケルソン・モーレーの実験

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1887年、アルバート・マイケルソンとエドワード・モーレイは地球がエーテル、つまり絶対的慣性系にたいしてどのような速度で運動しているかを求める実験を行いました。これがマイケルソン・モーレーの実験とよばれるものです。地球は太陽の周りを秒速速度30kmで公転運動をしています。したがって、地球の進行方向とそれに垂直な方向とでは光の速さは少なくとも秒速30km程度は異なるはずです。これを検出しようと二人は考えたのでした。

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マイケルソン・モーレーの実験:その1

マイケルソン・モーレーの実験:その1

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上記の画像のように、光源から放射された光線は半透明な鏡M0に入射し、これによって反射され鏡M2に向かうものとまっすぐ進み鏡M1に向かうものの二つに分岐します。鏡M1の方向に地球はエーテル中を運動していると仮定しましょう。鏡M2もよって反射された光線は鏡M0を通過しスクリーンに、また鏡M1によって反射された光線は鏡M0に反射され同じくスクリーンに到達します。二つの光線はスクリーン上で干渉し、その上に干渉縞を作るはずです。

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マイケルソン・モーレーの実験:その2

マイケルソン・モーレーの実験:その2

image by Study-Z編集部

干渉を調べるために、二つの経路の光路差を求めましょう。まず光がM0→M1→M0と往復す時間t1は上記1式になります。ここでl1は鏡M0とM1の距離、vはエーテルに対する地球の速度です。また経路M0→M2→M0を往復する時間t2は、上記の図に示すようにピタゴラスの定理から式2となります。これを解くことによって、t2は式3になることがわかるはずです。

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tohru123