光の速度を超えることはできるのでしょうか？ 「光バースト」という驚異の現象を探る

アインシュタインの特殊相対性理論が発表されて以来、光の速度は c = 299792458 m/s という物理学において非常に重要な定数になりました。つまり、光の速度は秒速約30万キロメートルです。

アインシュタインは、微視的または巨視的物体を含め、この世界のいかなる物体も光速に達することはできず、ましてや光速を超えることはできないと信じていました。そのため、光の速度は物理学の多くの公式において重要なパラメータとなり、質量エネルギー方程式 E=mc² など多くの有名な法則がそこから導き出されます。ここで、E はエネルギー、m は質量、c は光速度を表します。

つまり、エネルギーと質量は同等であり、相互に変換することができます。物体の質量に光速の二乗を掛けたものが、その物体に含まれるエネルギーです。

アインシュタインはまた、光の速度制限から、速度による質量増加効果と時間遅延効果を導き出しました。つまり、移動時の速度が速いほど、質量増加効果が顕著になります。歪んだ時空により、時間の流れが遅くなります。光速に達すると、運動量は無限大となり、時間は停滞します。

これにより、私たちの世界での移動速度が固定され、いかなる物体も光速に到達することは不可能であり、ましてや光速を超えることは不可能です。

この法則は、質量増加効果の式 M=m/√[1-（v/c）^2] という 2 つの式で表されます。ここで、M は物質の運動質量、m は物質の静止質量、v は移動速度、c は光速です。時間の遅れ効果の速度の公式: t'=t√(1-2GM/rc^2)、ここで、t' は重力による時間の遅れ効果の値、t は低重力慣性系における観測者の時間経過値、G は重力定数、M は天体の質量、r は天体の半径、c は光速です。

上記のすべてが問題を示しています。私たちの世界では、光の速度が上限です。いかなる物体もそれを突破することはできません。質量がほとんどない粒子やニュートリノでさえ例外ではありません。そうでなければ、運動量は無限となり、宇宙は崩壊してしまいます。時間は停滞し、すべてが停滞します。

これが光速度の壁と呼ばれるものです。そうだとすると、なぜ超光速によって生じる現象である「光爆発」がインターネット上で紹介されることが多いのでしょうか。

ソニックブームは、物体が音速よりも速い速度で移動したときに発生する衝撃波であることが知られています。これは、超音速物体によって生成された音波が物体から放出されるのに十分な速度ではないため、音波が「積み重なって」衝撃波面（ブームとも呼ばれる）を形成するためです。いわゆる光ブームは、物体が光速よりも速く移動したときに発生する振動波です。

光の速度は私たちの世界の移動速度の限界であり、静止質量を持つ物体は光速度に達することはおろか、光速度を超えることもできないのに、なぜ超光速現象が起こるのでしょうか。

これは、いわゆる光速度の限界が真空中の光の速度を指しているためです。つまり、一定の光速度 c=299792458m/s は、媒体のない真空中の光速度を指し、光は媒体が異なれば速度が低下します。例えば、空気中では約 1°C、氷中では約 0.77°C、水中では約 0.75°C、アルコール中では約 0.73°C、ガラス中では約 0.67°C です。

したがって、いかなる物質も媒体なしでは真空中で光速に達することはできず、ましてや光速を超えることはできませんが、媒体内では光速を超えることは可能です。もちろん、媒体内で光速を超えるこれらのいわゆる物質は、微小な粒子にすぎません。たとえば、ニュートリノは質量が非常に小さく、電磁力はほとんどありません。彼らの移動速度は光速に近いです。したがって、水、氷、ガラスなどの媒体では、その速度は光速を超える必要があります。

ニュートリノは電荷を帯びていないため、物質と相互作用しません。したがって、たとえ毎秒何兆ものニュートリノが指の爪ほどの大きさの物体を通過しても、ほとんど痕跡は残りません。しかし、これらのニュートリノの中には、数日ごとに物質の原子核と衝突する特別なニュートリノが 1 つまたは 2 つ存在します。超高速衝突により原子核が粉砕され、衝突点から光速よりわずかに遅い速度で散乱する、いわゆる亜原子の「破片」が生成されます。これらの「破片」の速度は光速を超えており、「光バースト」現象が発生します。

これらのニュートリノを捕らえるために、科学者たちは南極にアイスキューブニュートリノ観測所を建設しました。一般的な天文台とは異なり、この天文台では宇宙の観測に大口径の望遠鏡は使用しません。その代わりに、氷層の深さ1.6キロメートルに垂直に吊り下げられた5,000個以上のセンサーが、ニュートリノが原子核に衝突したときに発生する閃光を捉え、ニュートリノがどこから来たのかを判定します。

「フォトンバースト」はチェレンコフ放射とも呼ばれ、主に青い閃光として現れる短波電磁放射の一種です。この現象は、1934年に旧ソ連の物理学者パベル・アレクセーエヴィチ・チェレンコフによって発見されたため、彼の名にちなんで名付けられました。

チェレンコフ放射は超音速飛行によって引き起こされるソニックブーム現象に似ています。つまり、荷電粒子が媒体中を光速を超える速度で移動すると、媒体中に青い輝きを特徴とする円錐状の電磁波が発生します。これはフォトニックブームです。この円錐状の電磁波の円錐角は、cosθ=nvc という式を使用して計算できます。

ここで、c は真空中の光の速度、n は媒体の屈折率、v は荷電粒子の速度です。この式から、光バーストは v 値が c/n より大きい場合にのみ発生することがわかります。例えば、水中の n の値はおよそ 1.33 に等しく、電子 v が 0.75c のとき円錐角は約 49° であると計算できます。

実際には、媒体内で光速を超えることができるのは、ニュートリノ衝突による亜原子破片だけではありません。また、原子核反応の放射線現象や、粒子加速器によって加速された粒子、宇宙線など、水や氷などの媒体中には光速よりも速く移動できる粒子も数多く存在します。

したがって、光速度の限界を厳密に定義する必要があります。光速度定数 c=299792458m/s は、具体的には真空中の光の速度を指し、真空中の光の速度はいわゆる限界速度です。真空中ではいかなる物体も光速に到達できないという別の制限があり、それはニュートリノのように質量が極めて小さく限りなくゼロに近い場合でも静止質量を持つ物体です。

いわゆる超光速現象である光バーストは、アインシュタインの光速度限界理論に違反するものではありません。真空中の光の速度は、宇宙の移動速度では破ることのできない上限です。

これはSpace-Time Communicationからのオリジナル記事です。著者の著作権を尊重してください。ご理解とご協力をよろしくお願いいたします。