6.参考文献フレネルが提唱した“エーテルの随伴説”(1818年)1.導入1820年代にイギリスのヤングやフランスのアラゴ、フレネルの光の性質(偏光現象や干渉の現象)の研究から、光は波動であり、しかも進行方向に対して垂直に振動する横波であろうという考え方が確立してきます。実際のところ、光が粒子なのか波動なのかの論争はその後も永く続くのですが、そのとき光の波動説に取って波動を伝える媒質とは何かが最重要なテーマとなる。この当たりは別稿「フィゾーが運動媒質中の光速度(随伴係数)を測定した方法(1851年)」1.で説明しておりますのでそこを参照されて下さい。光の波動説と粒子説(放射説)の優劣を論じるときに、繰り返し取り上げられたのは光行差の問題です。1.粒子説(放射説)1727年にブラッドリーは光行差の現象を見つけました。光行差とは、我々が地球上で地球と共に動きながら(地球は太陽のまわりを公転し、さらに自転している)遠い恒星からくる光を観測するとき、光の方向は実際に恒星がある方向とは異なって見える現象です。彼はその現象を光の“粒子説”で説明していた。下図で光の粒子はSの方向から速度cで来るものとし、観測者はOO’の方向へ速度vで走っているとする。観測者はその望遠鏡をOAの方向に向けており、Aで望遠鏡に入った光がAからO’へ達する時間t内に望遠鏡はOAからO’A’の位置まで移動する。今望遠鏡がOO’となる角をα、O’Sが見かけの方向O’S’と成す角をβとすれば、△AOO’に“正弦定理”を適用して変形してが得られる。ここで、α、βの測定値と、地球の公転速度v=3.0×104m/sを代入して光速度cを求めると、レーマーが木星の衛星周期の遅れから求めていた値と良く一致した。以上がブラッドレーの説明ですが、彼は光が真空中を真っ直ぐに進んで行く粒子であるとして、これらの現象を説明した。光の粒子がなぜいつも同じ速度で、真っ直ぐに飛んで行くのかは大きな謎ですが、そこさえ認めれば光行差の現象自体は旨く説明できます。[別稿「ブラッドリーが光行差を見つけた方法(1727年)」参照][補足説明1]粒子説では(a)光の速さは放射源の運動に対して相対的な速度cで動くのか、あるいは(b)放射源の速度に関係なく絶対静止空間に対して速度cで動くのかの二通りの考え方があります。仮説(a)は動いている列車から発射された弾丸の速さが列車の速さぶん変化することと同じで、仮説(b)は波動説の媒質を伝わる波動の様に放射源の速度によらないことを意味する。このとき、連星の運動の観察から仮説(b)が正しいことが直ちに判明する。天文学で知られているように星雲ガスが収縮して恒星系となるとき、ガス量とガス雲が持つ角運動量の兼ね合いから太陽系のような惑星系を伴った恒星となったり、連星あるいは単独の恒星となったりする。そのとき恒星の半分程度が連星系になると言われている。連星を構成する二つの星の距離は地球から連星系までの距離に比べてきわめて小さいが、連星は互いの重心のまわりを比較的大きな速度で公転運動している。一方の星は我々から遠ざかり、他方は我々に近づく。連星系と地球との距離は莫大なために、仮説(a)では二つの恒星から同時に射出された光が地球に到着するまでに大きな時間差を生じる。その時刻差Δtのおよその値はで計算できる。ところでc〜3×108m/sですが、連星までの距離dが1019m〜1000光年を越え、公転速度が104m/sを越える連星系は多数ある。そのとき時間差はΔt>106s(〜12日)となるので、この効果が観測を逃れることはありえない。仮説(a)が正しければ連星系の運動はゆがんで見えるはずだが、観測によるとその様なことは無い。c’(光の速度)=c+k×v(星の速度)としてk<0.002を得た。]あらゆる光が同じ速度で地球に到着するというのは極めて不思議なことですが、粒子説でも光は仮説(b)の様に伝わると考えなければならない。この事はその後も様々な方法で検証された。1963年Sadehは静止した電子にほぼ光速に近い速度を持つ陽電子を追突させた。この衝突実験の電子対消滅により二つのγ線が放射される。元々の光源(陽子と陽電子)の重心系はc/2近い速さを持つ。そのときγ線を重心系で見ればそれぞれcの速さで180度の角度で放出されるのだが、もし光(γ線)の速度が光源の速度に依存するのならば、対消滅が起きた点(電子の位置)から等距離にある2個のカウンターに到着するγ線の検出時間は異なるはずである。その様なことは起こらず常に同時であった。k<0.00004以下であることをえた。1977年BrecherはX線を出す二重星(連星)の観測からk<2×10-9を得て、さらに精度を高めた検証をした。今日まで行われたあらゆる実験に於いて、光速が光を放射する物体の速度に依存する効果はまったく見つかっていない。[補足説明2]これは光が粒子であると考えると非常に奇妙な性質ですが、アインシュタインの相対論的速度の合成則を用いると旨く説明できる。静止した観測者(地球)に対して速度Vで動く[光の放射源(恒星)]を考える。その放射源と共に動く慣性系から観測した粒子(光)の速度をv’とする。