科学は光の速度を遅くするだけでなく、超えることもできることを証明しましたが、なぜ光の速度には限界があり、不変であると言われるのでしょうか。

現代物理学では、光の速度はすでに定数であり、正確な値は毎秒 299,792,458 メートル、つまり約 300,000 km/s です。 100年以上前、アインシュタインは特殊相対性理論の中で光速度の限界と光速度不変という2つの原理を提唱し、それが現代物理学の越えられない天井となりました。

光速度の限界とは、私たちの宇宙では、物質の動きが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ず、最小の粒子でさえ例外ではないことを意味します。光速度の不変とは、真空中の光の速度はどの基準フレームで観測しても同じであり、観測者が観測者に対して動いているかどうかによって変化しないことを意味します。

100年以上もの間、これは誰も覆すことのできない鉄則となってきました。しかし、科学者たちは実験によって、ある物質は光速よりも速く動き、光速は遅くなったり止まったりすることもあるとしばしば明らかにしています。何が起こっているのか？一緒に調べてみましょう。

物質が光速よりも速く動く唯一の確認された現象

昔、水などの透明な媒体が放射線にさらされると淡い青色の光を発することが観察されていましたが、それは蛍光であると解釈され、キュリー夫人もそう考えていました。元ソ連の科学者パベル・アレクセーエヴィチ・チェレンコフはそれを解明しようと決意した。

1930 年代には光の強度を測定する簡単な機器さえ存在しなかったため、チェレンコフは観察には完全に自分の目だけに頼るしかありませんでした。光の強さに敏感になるためには、媒体に現れるかすかな光を観察する前に、毎日 1 時間、目を暗闇に慣らさなければなりませんでした。

チェレンコフは数年にわたってさまざまな媒体を変えながら何度も実験を繰り返した。最終的に彼は、これは蛍光ではないことを発見しました。なぜなら、蛍光はあらゆる方向に放射される球面波であるのに対し、この光線によって励起された輝きは円錐波だったからです。そこで彼は 1934 年から、この「チェレンコフ放射」と呼ばれる現象の性質を詳述した一連の論文を発表しました。

その後、同僚のイリヤ・ミハイロヴィチ・フランクとイゴール・エフゲニエヴィチ・タムも研究に加わり、最終的にこれは超光速現象であると結論付けました。これは、アインシュタインが光速度の上限を提唱して以来発見された最初の超光速現象であり、また、これまで唯一の物質運動の超光速現象でもあります。

しかし、なぜ超光速現象は輝きを生み出すのでしょうか?

多くの科学者がこの現象に魅了され、さまざまな実験を通じてそれを解明しようとしています。数年にわたる共同作業の末、チェレンコフと他の3人はついに問題を解明した。荷電粒子が光速よりも速い速度で媒体内を移動すると、一種の電磁放射を放出することが判明しました。この放射線は円錐状に放射され、チェレンコフ放射線の源となります。

この現象の理由は、超音速航空機によって生成されるソニックブームと少し似ています。航空機の速度が音速に達してそれを超えると、音波は航空機の速度を超えることができないため、航空機の機体から出ることができず、蓄積され、円錐状の衝撃波が形成されます。

同様に、荷電粒子が光速よりも速く移動すると、光子振動も生成され、青い放射線円錐として現れます。青い輝きは、粒子が光速よりも速く移動したときに発生する光子振動現象です。この原理を解明したことにより、チェレンコフと彼の2人の同僚は1958年のノーベル物理学賞を共同受賞しました。

この原則は非常に重要です。人々はこの原理を利用して、宇宙からさまざまな高エネルギー荷電粒子を捕獲します。たとえば、高エネルギーの荷電粒子が地球の大気圏に入ると、その一部は光速を超えて青色光を生成します。人々はまた、さまざまな粒子を捕らえるために、地上、氷の下、または地下に多数の泡室やプールを建設してきました。これらの粒子が人間が用意した媒体に衝突すると、超光速効果が発生し、輝きと経路が残ります。このようにして、通常は見えない物質が見えるようになり、科学者はそれらを研究できるようになります。

光の速度は遅くなるだけでなく、止まることもある

上記の紹介から、光の速度は真空中でのみ最速であり、媒体中では必ずしも最速ではないことがわかります。では、媒体内での光の速度はどれくらい遅いのでしょうか?大まかなパラメータは次のとおりです。真空中の光速度と比較すると、空気中の光速度は 99.97%、氷では 77%、水では約 75%、アルコールでは約 73%、ガラスでは約 67%、ダイヤモンドでは約 41% に達します。

これらの一般的な媒体における光の速度に関して言えば、最も遅いのはダイヤモンドで、秒速約 124,000 キロメートルです。これは日常生活のマクロの世界では未だ達成不可能な速度です。それで、それを遅くすることは可能ですか?

科学者たちは何十年もこの研究を続け、光の速度をどんどん遅くできるだけでなく、止めることもできることを証明しました。

1999年、デンマークの物理学者レネ・ヴェスターガード・ハウ氏が率いるハーバード大学の科学者チームは、光線を毎秒約17メートルまで減速させることに成功し、2001年までには光線を完全に凍結させることに成功した。凍結とは何ですか?止まったよ！そして、光が解放されると、速度は秒速30万キロメートルまで回復します。

これはボーズ・アインシュタインの凝縮物質理論が関係しているので、言うほど簡単ではありません。この理論によれば、ボソンは絶対零度に近い極低温ではボーズ・アインシュタイン凝縮という特殊な状態を示すとされています。この予測がなされてから数十年後、科学者がようやくこの形態の物質を生み出したのは 1995 年になってからでした。

ボーズ・アインシュタイン凝縮体には多くの奇妙な性質がありますが、その一つは、この状態の原子にレーザー光を照射すると、ある周波数における屈折率が急激に増加し、光線の速度が急激に低下することです。ライアン氏のチームは、この原理を利用して光が極低温のナトリウム原子雲の集団を通過できるようにすることで、毎秒17メートルの光速を達成した。

その後、ライアン氏のチームは、光パルスが完全に圧縮されて低温の原子に閉じ込められたときに結合レーザーを突然オフにし、原子雲の特性が変化した。光パルスは低温の原子雲を貫通できず、内部に閉じ込められました。結合したレーザーを再びオンにすると、凍結された光パルスが再び放出されました。

彼女の功績は非常に大きく、量子コンピューティングの強固な基盤を築きました。現在、科学者たちはより長い期間にわたって光を「捉える」ようになっています。

2013年、ドイツのダルムシュタット大学の科学チームは、光を60秒間停止して保存することに成功しました。今回は完全に不透明な結晶を使用し、その温度を絶対零度近くまで下げ、レーザー光を照射してその原子に量子重ね合わせ状態を形成させます。すると結晶は透明になり、特定の波長の光を通過できるようになります。次に、透明になった結晶に別のレーザー光線を入射させますが、するとすぐに結晶の透明性が失われ、結晶に入るレーザーがロックされます。

この方法は、最初に暗い部屋を準備し、ドアを開けて光線を入れ、その後ドアを閉めて光を暗い部屋に閉じ込めるのと少し似ています。 1分後、向かい側の窓を開けると、再び明かりが消えました。

2021年、中国科学技術大学の郭光燦院士率いる研究チームは、同じ原理とユーロピウム添加イットリウムケイ酸塩結晶（Eu3+：Y2SiO5）を材料として使用し、600メートルの光パルスを5mmの結晶に保存することに成功しました。 60 分後まで光は放出されず、位相保存の「忠実度」は最大 96.4±2.5% で、光はまだ鮮明でした。

光の速度のこうした変化は相対性理論を反証するものではありません。

上記の科学実験には、光速を超えることができる物質と、光速を遅くする能力の両方が関係しています。これは、光の速度に関するアインシュタインの相対性理論の結論が間違っており、相対性理論が覆されたことを意味するのでしょうか?いいえ。

物理学の基礎知識を持つ人なら誰でも、光速度を超えたり遅くなったりするさまざまな例はすべて条件付き、つまり異なる媒体における光速度のパフォーマンスであることがわかります。光速度の限界と不変性に関する特殊相対性理論は、真空中の光速度の特性を指します。

これは、媒体内の光の速度が世界最速ではないことを意味します。これは実は非常に理解しやすいです。例えば、光線が鉄板や木の板に当たってもブロックされますが、銃弾や徹甲弾は簡単に貫通してしまいます。したがって、木の板や鉄板の中の光の速度は、銃弾や徹甲弾の速度ほど速くはありません。

光の速度はなぜ媒体内で遅くなるのでしょうか?これは、光が媒体内で屈折し、常に前後に曲がるため、当然速度が遅くなるためです。異なる媒体には異なる屈折率があり、そのためその中の光の速度も異なります。他の粒子は光子とは異なる動きをするため、媒体内で光速を超える可能性があります。

科学実験では、媒体の屈折率を変えることによって光の速度を遅くします。屈折率が大きいほど、光が媒体を通過するのにかかる時間が長くなるため、光の速度は遅く見えるようになります。光を止めるには、媒体の屈折率を上げることに加え、光場の励起を原子群の励起に変換することも必要です。これらの原子は、光子を捕らえる漁網のような働きをします。

例えば、郭光燦院士率いるチームは、600メートルの光を5ミリメートルの結晶内に1時間留まらせることに成功した。まず、ユーロピウム添加イットリウムケイ酸塩結晶（Eu3+：Y2SiO5）の屈折率を数十万倍に高め、励起によって原子の「漁網」を形成し、この原子群に入る光が結晶内を前後に振動することしかできず、格子内の位置を離れることができないようにしました。

実際、これらの実験はすべてアインシュタインの相対性理論の枠組み内で行われたものであり、アインシュタインが提唱した光速度の限界や光速度の不変性と全く矛盾するものではありません。

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