究極の宇宙法則の興味深い物語

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大学レベルの物理学の授業を受講したことがある方なら、光の速度を測定するよう求められ、数時間かけてミラー、レンズ、光源を適切に並べることができた場合、秒速 3 億メートル弱という答えを得た「楽しい」思い出があるでしょう。これは物理学の基本的な定数であり、宇宙について何かを学びたい場合には理解することが不可欠です。

私たちが宇宙に目を向けるとき、私たちの唯一の資源は光です。まあ、唯一というわけではありませんが、現時点で重力波が私たちに見せられるものはかなり限られているので、多少の誇張はご容赦ください。天文学と宇宙論における事実上すべての進歩は、現実の端から何百万年、あるいは何十億年もかけて伝わってきた光の収集に基づいています。私たちの太陽系に最も近い恒星からの光でさえ、私たちに届くまでに 4 年以上かかります。光が移動するのにかかる時間は、物理学の中で最も有用であるものの、最も直感的でない部分の 1 つである可能性があります。

光が実際に何なのかを知るずっと前から、人々は光の速度について議論してきました。何世紀にもわたって、最も聡明な人々の多くは、一部の動物の目が暗闇の中で特定の角度で光る様子を理由に、実際には一種のランタンのように目から光が発せられていると考えていました。それにもかかわらず、彼らは光が瞬時に伝わるのか、それとも伝わるのに時間がかかるのかについて依然として議論しており、これは17世紀になるまで適切にテストされませんでした。

それを定量化するための初期の試みは、観察者から少し離れた場所にランタンを設置し、ランタンが開いてから観察者がその光を見るまでの時間の差を測定することでした。それはうまくいかず（ガリレオと彼の同時代人は、観察者がランタンに近すぎたため決定的な測定値を得ることができなかった）、最終的に科学者たちはより複雑で正確な方法に移行した。実際に機能した最初の装置は 1675 年に誕生し、そのときオーレ・レーマーは木星の衛星イオの公転周期の測定に取り組んでいました。ローマーは、地球と木星の間の距離が時間の経過とともに変化するにつれて周期が変化しているように見えることに気づきましたが、これはまったく意味がありません。なぜイオの軌道が地球の位置と関係があるのでしょうか?実際、光がイオから地球まで伝わるのにかかる時間が異なるだけで、両者が近づくとその時間が短くなります。彼の同僚の一人であるクリスティアン・ホイヘンスが計算を行ったところ、光の速度は毎秒約 2 億 2,000,000 メートルであることがわかりました。これは、地球の動きの詳細がまだわかっていなかったこともあり、完全に正しいとは言えませんでしたが、おおよその範囲内であり、科学者がより正確な測定技術を開発するにつれて、そこからの推定値は改善されました。 18歳半ばまでに^番目 世紀の時点では、測定値は真空中の光の速度として現在認められている秒速 2 億 9,979 万 2,458 メートルの数パーセント以内でした。

このことから、2 つの疑問が生じます。なぜ光の速度はこのような乱数なのか、そしてそもそもなぜ速度制限があるのでしょうか。 1 つ目は答えが簡単です。それは私たちの単位に関係しています。なぜなら、メートルと秒 (またはマイルと時間、または日常的に使用したいあらゆる単位) は、世界における人間の経験の観点から最初に定義されたからです。たとえば、1 マイルは 1,000 歩であり、基本的な定数とは何の関係もありません。 2 つ目はより複雑で、特殊相対性理論に関係しています。

おそらくこれまでに書かれた最も有名な方程式で答えが見つかります: e=mc²。これには多くの意味がありますが、最も基本的なレベルでは、エネルギーと質量は交換可能であると考えることができることを意味します。物体が非常に速い速度、または相対論的な速度で移動しているとき、私はそれらの物体には質量と速度の組み合わせである運動量があると考えたいと思います。オブジェクトの速度を上げたい場合は、より多くのエネルギーをオブジェクトに注ぎ続けなければなりません。光の速度で運動する巨大な物体は無限の運動量を持ち、それは無限のエネルギーまたは無限の質量と考えることができます。それはまったく不可能です。物体が光の速度に近づくまでに、その質量は非常に巨大になり、それ以上加速することは不可能になります。しかし、光には質量がないので、この問題は簡単に回避できます。

特殊相対性理論はまた、外部の静止した観察者がこれを見ていると、本当に奇妙なものを見るだろうということも意味します。物体が相対論的な速度で動いているとき、外から見ると、その物体の時間は遅くなっているように見えます。もし私が光の速さの 99% であなたから遠ざかっていたら、私の老化が遅くなるのがわかるでしょう。これを時間の遅れといいます。もう 1 つは長さの短縮と呼ばれるものです。もし私がスーパーマンのように頭からあなたから飛び立っていたとしたら、私が速くなると、あなたも私の身長がどんどん短くなっているのがわかるでしょう。私の速い基準フレームからは、時間が遅くなったり、自分自身が縮んだりすることは感じませんが、外から見ると、光の速度に近づけば近づくほど、私は短くなり、より不老長くなるでしょう。

それは問題だ。なぜなら、もし私が光速に達したら、外部からの観察者は、私の身長がゼロになると時間が完全に止まって見えるだろうから。私は時空とともに存在を消滅してしまうだろう。幸いなことに、物理法則ではそれは許可されていません。その速度制限に到達できるのは、質量のないものだけです。光子、グルーオン、重力の影響、それだけです。時空をより速く移動できるものはありません。

この宇宙の速度制限にイライラする代わりに、私たちは喜ぶことができます。なぜなら、光の速度には非常に重要な結果が 1 つあるからです。それは、結果の概念全体です。すべての物理学、つまりすべてについての私たちの全体的な理解は、因果関係の基礎、つまり結果は常に原因の後に続き、その逆は決してないという考えに基づいています。

このように考えてみてください。私が光の速度に近づくと、あなたは私の時間が遅くなるのを観察します。光速に達したら止まるだろう。さらに速く進み続けると、逆方向に進み始めます。あなたの基準座標系から観察されるように、光の速度よりも速く移動することにより、私は時間を逆行することになります。もし私が物理学を無視した魔法のテキストメッセージのような、光の速度よりも速く伝わる信号をあなたに送ったとしたら、私が送信する前にあなたはそれを受け取るでしょう。世界共通の速度制限がなければ、どの出来事がどのような影響を引き起こしたのかを知ることは不可能であり、宇宙に関するすべてがほとんど理解できなくなるでしょう。

それが私を最終的なポイントに導きます。それは私にとって衝撃的であり、熟考するのが楽しいと感じます。すべての信号の伝達に時間がかかり、相互に異なる速度で移動する基準フレーム内で時間の進み方が異なる場合、2 つのイベントが「同時に」発生することは何を意味するのでしょうか?鏡に映った自分に向かってウインクすると、反射して戻ってくるウインクは、実際に私が物理的にウインクしたときよりほんの少しだけ遅れて起こります。光が私の顔に反射し、次に鏡で反射し、それから私の目に戻って認識される必要があるからです。宇宙の異なる場所で 2 つの出来事が同時に起こったと言うなら、私は「誰によるのか?」と尋ねなければなりません。 2 つの場所間の距離に応じて、ある観察者にとってはイベント 1 が最初に発生し、別の観察者にとってはイベント 2 がイベント 1 よりも前に発生した可能性があります。客観的な同時性などというものは存在せず、「同じ時間」などというものは存在しません。これはすべて、光には速度があるためです。ワイルドですよね？