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2025-11-22 23:12:00
光の速度は、基本的な物理定数の 1 つであると同時に、他の星、さらには銀河への旅への私たちの希望を現在葬り去っている非常に厳しい制限でもあります。地球が星々、星の島々、そしてその他の膨大な数の惑星で満たされた宇宙全体に囲まれていることを発見したとき、人々は想像力をフルスピードで働かせました。私たちはどのような世界について話しているのでしょうか、そこにはどのような環境があり、そこに住むことは可能でしょうか?系外惑星とその親星がさまざまな星系でどのように見えるかを私たち自身の目で見ることは非常に興味深いでしょう。あるいは、異星銀河ではどのように見えるか。
問題は、言及されたすべてのオブジェクトが信じられないほど遠くにあることです。そして、もし私たちが古典的な方法でそれらに飛んでいきたいと思ったら、超えられない光の速度によって与えられる根本的な限界に遭遇するでしょう。それは宇宙の物理的な限界であり、今のところ私たちの可能性を致命的に制限しています。
秒速30万キロメートル
真空中の光の速度は 299,792,458 m/s で、多くの場合、四捨五入して 300,000 km/s として与えられます。これは、多くの物理方程式で発生する普遍定数 c を表します。 今日の物理学の重要な部分の基礎を形成するアインシュタインの特殊相対性理論によれば、既知の宇宙には光ほど速く移動できるものはありません。 同様の物理的な極限の場合と同様に、無限の概念は光の速度に関連しています。という理論から導き出されます。 物質が光の速度に近づくと、同時に質量も増加します。その限界に達すると、その質量は無限大に達しますが、これは標準的な物理学では不可能です。 したがって、現在の知識における光の速度は、宇宙全体に対する絶対的な速度限界を生み出します。
真空中の光の速度は非常に一定であるため、長さの単位であるメートルなどの基本量を定義するために使用されます。また、質量のキログラムや温度のケルビンの定義にも役立ちます。定数として非常に便利です。しかし同時に、多くの科学者やSFクリエイターは、その克服の不可能さと、そのせいで人間の寿命を大幅に超えない時間内に太陽系から出ることさえ現実的に不可能であるという事実に苛立っています。
したがって、何らかの方法で所定の制限を回避して、実際に光よりも速く移動できると同時に、物理的にその速度を超えないようにすることができるというアイデアが常にあります。しかし、世界からのワープドライブなのか スタートレックハイパースペースを通る移動 スター・ウォーズ映画のようにワームホールを通って飛ぶ インターステラースターゲートの通過、または世界からの魅力的なありえないドライブ 銀河ヒッチハイク ガイド超光速での移動は依然として SF の領域です。
一年という距離
宇宙を扱う科学分野では、やや混乱を招く用語が使用される傾向があります。その 1 つが、英語の「light year」に由来する「光年」または「ly」です。一見すると、それは時間の単位ではありません。 光年は光が真空中を1年間に進む距離を表し、約10兆キロメートルです。これは、星と銀河を隔てる広大な距離を記述する実用的な方法です。
月からの光は約1秒で私たちに届きます。したがって、私たちの仲間は私たちから 1 光秒離れていると言えます。これは、1 光年の距離がいかに驚異的なものであるかを示しています。太陽からの光は約 8 分で地球に到達するため、星は私たちから約 8 光分の距離にあります。しかし、ひとたび太陽系の外に出ると、光年が影響を及ぼします。 私たちは現在、最も近い恒星であるケンタウリ座の赤色矮星プロキシマ・ケンタウリを4.22光年の距離で観察しています。もし爆発したなら4.22年後に分かるだろう。
1lyをどのように想像しますか？地球の 1 年の長さは約 3,150 万秒です。したがって、1 光年には地球と月の間の距離の約 3,150 万倍が含まれます。 アポロ計画の有人宇宙船は時速約 39,400 km で移動しましたが、1 年移動するには約 27,000 年かかります。時速965kmで飛行する旅客機には100万年かかり、時速90kmで走行する自動車でも1200万年かかる。
宇宙オブジェクトは多少はうまくいきます。地球は時速約 107,000 km の速度で太陽の周りを公転しているため、10,000 年で 1 周します。私たちの惑星の動きですら、時速約72万kmの速度で天の川を駆け抜ける太陽系全体に比べれば見劣りします。したがって、銀河は 1,500 年に 1 回 1 年の距離を横切り、およそ 1 万年前の最も新しい氷河期の終わり以来、銀河系内を移動した距離は 7 光年未満です。
発見の拒否
光速現象が宇宙の観察に与える影響は非常に大きく、人々はすでに 350 年前にそのことに気づいていました。デンマークの数学者、天文学者 オーレ・レーマー 船員のために信頼できる天文時計を作ろうとしました。一方、1676 年、彼は木星の観察と衛星イオの食から、光の速度は有限であると推測しました。しかし、彼の発見は当時の宇宙の考えに反するものであったため、彼の発見は科学界と衝突しました。
ローマーの結論は、1851 年にフランスの物理学者で天文学者によって初めて確認されました。 イポリット・フィゾーまた、光の速度は 315,000 km/s であると推定されました。当時としては非常に正確な測定が 1862 年に彼の同僚によってすでに行われていました。 レオン・フーコー298,000 km/sという数字に到達しました。光の速度とその物理的性質も集中的に扱われました アルバート・アブラハム・マイケルソン: 1879 年、彼はフーコーの方法を自分の目的に適用しましたが、非常に高品質の鏡とレンズを使用することでそれを改良しました。こうして彼は 299,910 km/s という値を達成し、同じアメリカの物理学者が再度改良するまで、その後 40 年間、この値が光速の最も正確な測定値であり続けました。
エーテルの波紋
当時、物理学者は光の性質と格闘していました。それが波なのか粒子なのかは不明だった。 マイケルソンと同僚のエドワード・モーリーは、光には音と同じように波の性質があると考えていましたが、音は伝わる媒体が必要なので、これには問題がありました。したがって、他の多くの研究者も、光は実際には、当時の装置では検出できなかった未知の媒質の機械的波を表していると確信していました。。同様のアプローチは、はるか後になって科学者によって暗黒物質と暗黒エネルギーの場合にも適用されました。
光が伝播すると考えられる極度に低密度の、遍在的で目に見えない仮想の物質は、エーテルと呼ばれるようになりました。その後、専門家たちは、この素晴らしい物質を発見し、光がその機械的な波であることを証明しようと懸命に努力しました。当時の努力は、1887 年にクリーブランドで行われた有名なマイケルソン・モーリー実験で頂点に達しました。しかし、それは夫婦の予想とはまったく異なるものでした。
失敗に対するノーベル賞
マイケルソンとモーリーは、現在 LIGO 天文台の施設で重力波を検出している機器の非常に単純なバージョンである、独創的な干渉計を構築しました。前述の装置では、光線はさまざまな経路に沿って進みました。当時、研究者らは、エーテルを通る物体の運動によって生じる、いわゆるエーテル風の存在、つまり主に太陽の周りの地球と銀河の中心の周りの私たちのシステムの存在を想定していました。二人は、光線がどの方向に移動するかに応じて、風の影響で光が遅れると予想していました。
この実験は1881年からポツダムで行われた最初の試みの継続であったが、完全な失敗に終わった。これは「地殻変動」であり、ほとんどの科学者がエーテル仮説をきっぱりと否定することになりました。彼はその後結果を追跡調査した アルバート・アインシュタインマイケルソンは 1905 年に特殊相対性理論を発表しました。 結局、失敗した実験は物理学のさらなる発展に非常に影響力があり重要であったため、明らかに唯一の失敗としてノーベル物理学賞授与の主な動機となりました。マイケルソンは 1907 年に受賞しました。
彼のペースを落とすにはどうしたらいいでしょうか？
真空中では通常、光は絶対速度で進みます。ただし、何らかの物質を通過すると、 対象となる物質の絶対屈折率が反映されます。: 結果として得られる光線の速度は、真空中の光の速度とこの指数の比に対応します。さまざまな透明または半透明の素材では、光の速度は大きく異なります。 たとえば、地球の大気は真空中での速度の約 1 万分の 3 に減速しますが、水中では約 225,000 km/s で移動しますが、ガラス中では約 200,000 km/s しかないため、真空中よりも約 3 分の 1 遅くなります。その後、約124,000km/sの速度でダイヤモンドを通過します。したがって、典型的な動きと比較すると、速度は半分以下に低下しますが、私たちの認識では、そのような値は依然として完全に非現実的なように思えます。
約四半世紀前に行われた実験では、超低温の原子雲の中に光が閉じ込められ、さらには停止する可能性があることが示されました。科学者たちは真空飛行中でも速度を落とそうと試み、2015年に、 ダニレム・ジョバンニム グラスゴー大学で博士号を取得し、同大学の会員でもあった ヴァーツラフ・ポトチェク プラハのCTU出身。研究者らは、特別に空間的に構造化された光子を使用して真空中の光の飛行を遅くし、特定の状況下では真空中で直接光が公式の速度よりも遅く移動できることを確認した。
光よりも速く
光の速度は、宇宙の最大許容速度と呼ばれることがあります。 宇宙でそれを超えるものはありますか？やや意外な答えは、「特別な状況下では可能です」です。たとえば、宇宙自体が膨張することでそれを超える可能性があります。メガパーセク (MPc) ごとに 68 km/s 以上の速度、つまり約 326 万光年で膨張しています。: したがって、1 MPc 離れたところにある銀河は毎秒 68 km 離れ、2 MPc 離れたところにある銀河は 136 km ずつ移動します。
一定の距離では、特定の視点から見た宇宙の膨張速度は光の速度を超えます。アインシュタインの一般相対性理論では、そのような状況が可能です。もちろん、これは、指定された距離にある何かが、その周囲に比べて超光速で移動するという意味ではありません。
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