光の速度より速く動くものはありますか?

ホセ・A・ベルナット・バセテ/ゲッティイメージズ

物理学でよく知られている事実の 1 つは、光速よりも速く動くことはできないということです。そんな中 基本的 確かに、それは過度の単純化でもあります。下 相対性理論 、実際にはオブジェクトが移動できる方法は 3 つあります。

• 光の速さで
• 光速より遅い
• 光の速さよりも速く

光の速さで動く

重要な洞察の 1 つは、 アルバート・アインシュタイン 彼が相対性理論を開発するために使用したのは、真空中の光は常に同じ速度で移動するというものでした。光の粒子、または 光子 、したがって、光の速さで移動します。これは、フォトンが移動できる唯一の速度です。スピードを上げたり下げたりすることはできません。 ( ノート： 光子は、異なる物質を通過するときに速度を変更します。このようにして屈折が発生しますが、変化しないのは真空中の光子の絶対速度です)。 ボソン 私たちが知る限り、光の速さで移動します。

光速より遅い

次の主要な粒子のセット (私たちが知る限り、ボソンではないすべての粒子) は、光の速度よりも遅く移動します。相対性理論は、これらの粒子を光速に達するほど速く加速することは物理的に不可能であることを示しています。どうしてこれなの？実際には、いくつかの基本的な数学的概念に相当します。

これらのオブジェクトには質量が含まれているため、相対性理論は次の式を示します。 運動エネルギー オブジェクトの速度は、次の式によって決定されます。

と_k = メートル ₀( c - 1) c ²

と_k = メートル ₀ c ²/ (1 - の平方根 の ²/ c ²) - メートル ₀ c ²

上記の式では多くのことが行われているため、これらの変数を展開しましょう。

• c はローレンツ因子で、相対性理論で繰り返し現れる尺度因子です。物体が動いているときの、質量、長さ、時間などのさまざまな量の変化を示します。以来 c = 1 // (1 - の平方根 の ²/ c ²)、これが、示されている 2 つの方程式の外観が異なる原因です。
• メートル ₀はオブジェクトの静止質量であり、指定された参照フレームで速度が 0 のときに取得されます。
• c 自由空間での光速です。
• の オブジェクトが移動している速度です。相対論的効果は、非常に高い値の場合にのみ著しく重要です の 、これが、アインシュタインが登場するずっと前から、これらの効果が無視できた理由です。

変数を含む分母に注意してください の （為に 速度 ）。速度が光速に近づくにつれて ( c ）、 それ の ²/ c ²項はどんどん 1 に近づきます ... つまり、分母の値 ('1 の平方根 - の ²/ c ²') はどんどん 0 に近づいていきます。

分母が小さくなるにつれて、エネルギー自体がどんどん大きくなり、 無限大 .したがって、粒子を光速近くまで加速しようとすると、ますます多くのエネルギーが必要になります。実際に光の速度まで加速すること自体が無限のエネルギーを必要とし、それは不可能です。

この理由により、光速よりも遅く移動している粒子は、光速に達することはできません (または、ひいては、光速より速く進むことはできません)。

光速よりも速い

では、光速よりも速く移動する粒子があった場合はどうなるでしょうか。それは可能ですか？

厳密に言えば、可能です。タキオンと呼ばれるそのような粒子は、いくつかの理論モデルに現れていますが、モデルの基本的な不安定性を表すため、ほとんどの場合、最終的に削除されます。今日まで、タキオンが存在することを示す実験的証拠はありません。

もしタキオンが存在するとしたら、それは常に光速より速く動くでしょう。光より遅い粒子の場合と同じ推論を使用して、タキオンを光速度まで減速するには無限の量のエネルギーが必要であることを証明できます。

違いは、この場合、最終的には の -term は 1 よりわずかに大きく、平方根の数値が負であることを意味します。これにより虚数が得られ、虚数エネルギーを持つことが実際に何を意味するのかは概念的にも明確ではありません. （いいえ、これは いいえ 暗黒エネルギー .)

スローライトよりも速く

先に述べたように、光が真空から別の物質に入ると、光は減速します。電子などの荷電粒子が、物質内で光よりも速く移動するのに十分な力で物質に入る可能性があります。 (特定の物質内の光の速度は、 位相速度 この場合、荷電粒子は 電磁放射 と呼ばれるようになった チェレンコフ放射 .

確認された例外

光速制限を回避する方法は 1 つあります。この制限は、時空を移動しているオブジェクトにのみ適用されますが、 時空 その中の物体が光の速度よりも速く分離するような速度で膨張します。

不完全な例として、一定の速度で川を下る 2 つのいかだと考えてみましょう。川は 2 つの支流に分岐し、それぞれの支流に 1 つのいかだが浮かんでいます。筏自体は常に同じ速度で動いていますが、川自体の相対的な流れのために、互いにより速く動いています。この例では、川自体が時空です。

現在の宇宙論モデルでは、宇宙の遠い範囲は光速よりも速い速度で膨張しています。初期の宇宙では、私たちの宇宙もこの速度で膨張していました。それでも、時空の特定の領域内では、相対性理論によって課せられた速度制限が適用されます。

考えられる例外の 1 つ

言及する価値のある最後の 1 つの点は、可変光速度 (VSL) 宇宙論と呼ばれる仮説的なアイデアです。これは、光の速度自体が時間の経過とともに変化したことを示唆しています。これは 非常に 物議を醸す理論であり、それを裏付ける直接的な実験的証拠はほとんどありません。ほとんどの場合、この理論が提唱されてきたのは、初期宇宙の進化における特定の問題を解決する可能性があるためです。 インフレ理論 .