私達は光速を超えられるか?

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 光速移動できる物件はけっこうある


この宇宙で、この世で最も早い速度と言われる

秒速29万9792km。


それを出せるのは「光」であり、
それは…

◆太陽光
◆ライト

~ぐらいかな…と思いがちですが

光速で進めるのは、以下の4ジャンルです。


1) 電離放射線のうち電磁波
 → 電波・ガンマ線・X線
  (ラジオや携帯電話も電波です) 

2) 非電離放射線のうち
 → 紫外線・赤外線・マイクロ波

3) 重力波→(=重力による時空のゆがみ波動)

4) 可視光線→ 太陽・プリズム・照明


上記に挙げたものは全て光速、
つまり毎秒29万9792km/sで進みます。


素粒子ニュートリノはわずかに劣りますが
 毎秒29万kmに迫る速さです。




上述の「重力波」は聞きなれない言葉で、
しかも科学ゴコロをくすぐる単語ですが、
いつか別の記事で取り上げますので今回は聞き逃して下さい。


補足

音速(音の伝わる速さ)は0.34km/毎秒
超音速戦闘機の平均は0.68km/毎秒
世界一速い戦闘機Mig25は0.96km/毎秒


原子力電池搭載の探査衛星
ニューホライズンズは17km/毎秒

 


▲太陽系外惑星ウルティマ・トゥーレ付近の
ニューホライズンズ想像図
NASA / JHUAPL/SwRI 提供


太陽周回衛星
パーカーソーラープローブは
人類最高速の衛星、192km/毎秒




▲太陽軌道付近のParker Solar Plobe想像図
NASA / Johns Hopkins APL 提供

  速く動けば動くほど重く振舞う


1905年、アインシュタインが精密な思考実験の末に
発表した特殊相対性理論。

そこから以下の等価原理が導出されましたよね、

\(
E=mc^2
\)


\(
E=エネルギー\\
m=質量(=重さ)\\
c^2=光速の二乗\\
\)


エネルギーは、質量×光速の二乗に比例する…という意味です。

(あ、意味分からなくても大丈夫ですよ、
 このまま気にせず読み進めて下さい)


ところで、エネルギーって何ですか?



物理学の世界で「エネルギー」は…

●静止した物体を動かす力
●仕事をする能力


~を指します。


科学者の話をすべて鵜呑みにするのは危険ですが
ことアインシュタインに関しては
以下の理由で最も信頼を置いています。

▼20歳ころのアインシュタイン




小鹿が彼を信頼する理由

◆彼の思考実験から出される解は常に的中していたこと

◆彼の理論のほとんどは、
 数年後、多くの研究所による実験・観測で、
 ことごとく確かな物理現象として立証されたこと

◆彼の数多くの行動の中で間違っていたのは
   ↓
 ●一時期「宇宙項」を記述したこと
 ●量子もつれを否定したこと

~の2点だけだった。
 (その2点に関しては将来、別の記事で解説します。)
  ↓
~により、最もミス率の少ない、
 信用に値する科学者である…と考えています。




▲ボーアと談笑する右側のアインシュタイン


よって、小鹿が書く記事は
アインシュタインはほぼ間違いを犯さなかった
~という前提のもとで進めています。


特殊相対性理論から導き出された

アインシュタインの等価原理▼
 
\(
E=mc^2
\)
エネルギー=質量×光速の2乗

 更に上記の原理から…
   ↓
「運動中の物体は相対質量が増える」
   ↓
すなわち、高速で動く物体は重く振舞う…
という意味の公式を彼は発見しました。





\(
ma=\frac{mo}{\sqrt{1-\left( \frac{\upsilon^2}{c^2}\right)}\frac{1}{2}}
\)

*一番左 \(ma=運動中の質量\)…は、
 \(V \)とする人も居ますが、
 そこは何を入れても構いません。

\(
ma=運動中の質量(=相対質量)\\
mo=元々の質量\\
\upsilon=物体の速度\\
c=光速\\
\)

ちなみに
\(
V=\frac{mo}{\sqrt{1-\beta^2}}
\)

~という式もありますが、それですと
 値がかなり少なめに見積もられてしまうので
 実際には①で示した、

\(
ma=\frac{mo}{\sqrt{1-\left( \frac{\upsilon^2}{c^2}\right)}\frac{1}{2}}
\)

~のほうが正確と思われます。




数式が分かんなくても全然大丈夫ですよ(^ ^)
何の意味か分かればOKです。


上記の式が言いたいのは

光速に近づこうとすれば
エネルギーは質量(重量)に変化し
速度を上げるエネルギーは失われる


~という意味です。
 もっと平たく言うと、
 速度を上げれば重くなるよ…という意味です。


そして小鹿が上の式で計算しましたところ
以下の結果が出ました…



1tの車が…
   ↓
●秒速150,000km、つまり光速の半分に近づけば
 車の重量は2.67tになり

●秒速200,000kmになれば
 車重は3.60tになる

●秒速250,000kmだと
 車重6.55tとなり、

●光速の90%である秒速270,000kmだと
 車重は10.53tへ、
 (ここで10倍になるんですね)

●光速の99%、秒速297.000kmですと、
 車重は100.50tになります。




光速直前だと極端に重くなり、

1tの車が100tになってしまいました

なんと重さが100倍になるんです、
…光を追い越すなんて無理ですね。


ただ、
 ↓
物体を光速近くまで加速して重量を計測、

~というところまで技術は進んでおらず、
 まだその実験は実施されてません。


よって…

「本当に重量が増すのか?」という意見も一部あります。




ですので現時点では ”重くなったように振舞う” という意味で
「相対質量」と記述するのが正しいでしょう。


しかし、いつか光速近くで回るコマが開発され、
ハカリの上でそのコマを回して
重量カウンターが面白いように増えるのを
人類は目の当たりにするでしょう。



  勢いをつけて光を照射する


人類が光速の半分の速度が出せる自動車を開発したとします。


すなわち毎秒150,000km/sの自動車です




この車が毎秒150,000km/sの速度で走りながら
光線ビーム(光子)を放ったとします。


光の速さは毎秒299,792km/sです、
そして実験に使う車は毎秒150,000km/sです。




150,000 + 299792= 449,792
…となるはずです。


さあ車によって勢いを付けられた光線
449,792km/s になるでしょうか?

 


以下がアインシュタインが発見した速度の足し算です
(光速度不変の足し算)

\(
V = \frac{ \upsilon1+\upsilon2} { \displaystyle 1+\frac{\upsilon1\times\upsilon2}{c^2}}
\)

 
\(
V=外から測った実際の光の速さ\\
\upsilon1=車の速度\\
\upsilon2=車から測った光の速さ\\
c=光速\\
\)


◆試しに計算してみます(^ ^)◆

(数字が嫌いな人は読み飛ばして下さいね)

\(
V = \frac{ \upsilon1+\upsilon2} { \displaystyle 1+\frac{\upsilon1\times\upsilon2}{c^2}}
\)

右の項にある分数の分母 \(c^2\) から始めます…
   ↓

\(c^2\) は光速の二乗、
光速の二乗は…
299,792×299,792=89,875,243,264
…とまず分母が出来ました。


そして真ん中の分子の部分 \(\upsilon1×\upsilon2\) は…
\(
\upsilon1=車の速度\\
\upsilon2=車から測った光の速さ\\
\)
150,000km/s × 299,792km/s = 44,968,800,000


これで下の分子と分母は
\(
{ \displaystyle 1+\frac{44,968,800,000}{89,875,243,264}} と出ました。
\)

最後に一番上の分子…\(\upsilon1+\upsilon2\) は,
150,000km/s + 299,792km/s=449,792km/s 


これにより、
   ↓
\(
V = \frac{\displaystyle449,792} {\displaystyle 1+\frac{44,968,800,000}{89,875,243,264}}
\)
   ↓
\(
V = \frac{\displaystyle 449,792} {\displaystyle 1.5003469}
\)
   ↓
\(
V =  299,792km/s
\)

~光速の半分のスピードで走る車から放たれた光は
 普段の光とまったく同じ速さでした。
 (普段の光速=秒速299,792km/s)

あっと!
数式は分かんなくても全然OKです




取りあえず、

(光速度不変の足し算)


人がどう光源を操作しようとも、
どの場所から光を測ろうとも
光の速度は変わらない。
 
結局光はいつも299,792km/sである。


…ということを知っておいて下さい。



  月面を長い棒で叩く


光に勢いをつけてもダメなら、
今度は通信速度で光速を越えるチャレンジをします。


今回は「電波」に挑戦します。
冒頭でも述べましたが、電波は光と同じ速度です。


地球から月の表面までは、
平均384,400km、距離があります。


◆軽くて
◆堅くて
◆しならない素材


~で出来た長さ384,400kmの棒を、地球の固い地盤に設置し、
月に住む人々に通信してみます。

 


今回はトントンと叩くモールス信号みたいな
原始的な通信方法で連絡をとってみます。

つまり、棒の先っぽで、
直接月を叩くわけですね。




地球から月への平均距離は384,400km。
電波による通信なら1.3秒かかります。
*電波は光と同じ速度です。


この長さ384,400kmの棒の先は、
光よりずっと早く月を叩けるはずです。




では、棒の先が月に設置してある反応板を叩く…
という実験をしてみましょうヽ(。◕‿◕。)


「地球は自転してるから無理じゃん」
なんて細かいことは考えず、実験してみよう。


棒がすぐに月を叩けるように、
   ↓

月に設置してる反応板と
棒のスキマは2cmとします。


そしてスイッチオン!




棒を月に向けて押します、
棒の先と月面のスキマは、わずか2cm


これなら長さ384,400kmの棒の先は
0コンマ何秒で、月を叩いたはずです。


しかしどうでしょうか?


長さ10メーターほどの棒なら、
下から2cm突けば、一瞬で棒の先も2cm動きます、
「押せ押せ」反応する原子の移動距離も短いからです。

棒の中の原子拡大図▼



棒の中の原子移動を更に拡大した図▼



▲原子が「押せ押せ」の指示を棒の先に送っています


さあ、長さ38万kmの棒だとどうなるか?
「押せ押せ反応」をする棒の中の原子の動きが、
38万km向こうの棒の先に”順々に”到達するには

 
なんと1日半もかかってしまうのです。


棒の中の原子は「振動」によって、押せ押せ反応をし、
棒の先まで”押せ情報”を伝えます。


その振動伝達は「音波」によって行われます
音波は毎秒0.34km/sですから、

音速0.34km/s × 約38万km = 36時間


結局棒の先が月面の反応板を叩くのは36時間後になるのです。



  月面の鈴を鳴らしてみよう


では月に大きな鈴を付けて長いヒモを垂れ、
鈴のヒモを地球から引っ張ってはどうか?。


神社にあるような大きな鈴ですね。




引っ張ったヒモの「引っ張れ指示」は
音速で月の鈴まで到達します。


さっきの長い棒と同じく

音速0.34km/s × 約38万km = 36時間

一日半かかってやっと鈴が鳴ります。




そして面白いことに、わたし達が…

●物をつかむ
●物を投げる

などの筋組織を動かしているのは音波ですので
上の棒と同じようにわたし達の体は音速で動作しています。


いっぽう、脳の中では電波=光速が人間を動かしています。




▲脳内ニューロンのシナプス回路伝達は
電波によっておこなわれています。


現状、光速と並ぶことはおろか、
光速に迫る物体を作る技術も、
人類は開発できていません。




この記事の冒頭付近で示した太陽周回衛星、
パーカーソーラープローブの秒速192km/s
が人類が製作した最高に速い物体ですが、
それも太陽の重力を借りてのスピードなのです。


今回もお読みいただき、
ありがとう御座いました(^ ^)

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