光より速いニュートリノ？ 相対性理論覆す

質問

＜物理＞光より速いニュートリノ？　相対性理論覆す発見か
　【ジュネーブ】欧州合同原子核研究所（ＣＥＲＮ、ジュネーブ）は２３日、素粒子ニュートリノを光速より速く移動させる実験に成功したと発表した。事実なら、「光より速い物質は存在しない」としたアインシュタインの特殊相対性理論（１９０５年）を覆す物理学上の「大発見」となる可能性があるという。
　発表によると、日本の名古屋大、神戸大や欧州、中国などの研究者約１６０人が参加する「国際研究実験ＯＰＥＲＡ」のチームが、ＣＥＲＮからニュートリノ１万６０００個を、約７３０キロ離れたイタリアのグランサッソ国立研究所に地下を通して飛ばしたところ、２．４３ミリ秒後に到着し、光速より６０ナノ（ナノは１０億分の１）秒速いことが計測された。
　１万５０００回も同じ実験を繰り返し、誤差を計算に入れても同じ結果が得られたという。チームも「説明がつかない」と首をかしげており、実験データを公表して、世界中の研究者に意見と検証を求めたいとしている。
http://headlines.yahoo.co.jp/hl?a=20110923-00000066-mai-soci

「ニュートリノは光速より６０ナノ秒速い」という実験結果が出てそうです。
今まで測ってなかったのかという疑問がありますが、速いといってもごくわずかですね。
美しい相対性理論が覆ったとなればショックです。
ここに集う有識者の皆さんはどういう感想をお持ちでしょうか。

1.誤差の可能性があるか？
2.もし事実なら「光速度不変、光より速く進めない」を前提にしている相対性理論は覆るのか？
　それとも比較的簡単に修正可能か？
3.質量を持つニュートリノが光より速いのはどうしてか？
　もしかしたらニュートリノは質量がゼロなのか？
4.相対性理論が覆ることで、困ることがありますか？

よろしくお願いします。

回答No.12

industrialHeart · ベストアンサー

1.誤差の可能性があるか？

常にその可能性は残されています。

2.もし事実なら「光速度不変、光より速く進めない」を前提にしている相対性理論は覆るのか？
　それとも比較的簡単に修正可能か？

実験が正しいとしても、相対論の信頼性は非常に高いので簡単には覆らないでしょう。
むしろ量子論の修正の可能性のほうが大きいといえます。
見かけ上光速度を超える現象は珍しくありません。それを利用して超光速で情報伝達が起きないように
つまり、因果律が破られないように上手に隠されいることがわかっています。
因果律が正しい、ということは相対論の出発点であるため、それが破れた場合修正は困難です。

3.質量を持つニュートリノが光より速いのはどうしてか？
　もしかしたらニュートリノは質量がゼロなのか？

0では超光速になりません。
相対論では、タキオン仮説のような光よりも速い物質は静止質量が虚数である必要があります。
そのような物質の存在は観測されていません。

4.相対性理論が覆ることで、困ることがありますか？
因果律(原因が結果よりも時間的に先にある)が破られる可能性についての説明が新たに必要になるでしょう。
現代物理学は、原因→結果の連鎖していく思考方法で築き上げられたものですから、
それ自体の否定につながりかねません。
原因→結果の破綻した現象を、従来の同じ原因→結果の思考方法で解明していくとなると、
わけがわからないことになりますね。

回答No.14

stomachman

ANo.7 の追加です。
　この実験において「見かけ上の超光速」がどうやったら起こるだろうか、と考えました。
　たとえば、媒質中で電磁波の位相速度が光速を越えるのは普通のことです。非線形媒質を通した光に関して「真空中の光速を越えた」というハナシもずいぶん前から出ています。それと似たようなメカニズムがあり得たりしないだろうか。もしかしたら、量子としての不確定性や媒質（この場合、地中の物質）との非線形相互作用がこういう実験結果をもたらす可能性があるんじゃなかろうか。
　たとえばニュートリノの速さがほとんど光速と同じであって、しかもその物質波の波束の長さが20m以上もあったとするとどうか。いや、ニュートリノが発生するのに60nsもの時間が掛かるってのは実に考えにくいけれども、えーと、なんかのメカニズムによってエネルギーがひどく精密に決まってしまうとか、それか、もしかして単独のニュートリノではなくたくさんのニュートリノがコヒーレントな状態になるとか、いや、それもありそうな気が全然しなくてそもそもニュートリノ同士がどうやってシンクロ… あ、いや、えーと、えーと、えっとですね、ま、とにかく、もしそうだったならどうか。
　すると、ニュートリノの発生は「瞬間的」とは言えなくなる訳で、平均値でしか測れない。で、ニュートリノが飛んで行く間に、相互作用が少ないはずのニュートリノなのになぜかその波束の（群速度は光速以下であっても）位相速度が真空中の光速を越え、包絡線が変形して振幅の大きい部分が前のめりになったとしたらどうか。ニュートリノが検出される時刻の確率分布は波束の振幅で決まるんで、検出時刻の平均値と発生時刻の平均値の差を取ると、超光速という勘定になる可能性があるんじゃないか。
　もしかして、そういうような事情だったとすれば、「特殊相対性理論は正しくて、量子力学も（少なくとも線形の理論としては）正しくて、ニュートリノは実数値の質量を持ち光速未満で走る（タキオンやスーパーブラディオンではない）普通の粒子であって、しかも、実験結果も間違っていない」という欲張りな話もあながちないとは言い切れないような気がしなくもなくもなかったりあったりするようなしないような。

回答No.13

noname#145142

no8ですがよって
１．考えにくい。
２．ある意味覆るが公式は変わらない
３・光より早くても物質が壊れない理論になるから
４．無いです。

回答No.11

SPROCKETER

ミューニュートリノが光速度よりも僅かに速いのが真実だとすればですが、ブラックホールやビッグバン理論に与える影響が大きいでしょうね。

　たとえば、光速を超えるニュートリノはブラックホールからも脱出出来るわけですから、ブラックホールには寿命があって、質量を失いながら小さくなり、最後は昇華して消滅するという話になります。

　同時に、ニュートリノを観測すれば、ブラックホールの中で何が起こっているかもわかるという話になり、事象の地平面の内側の現象も観測出来る可能性が出て来て、大変な事態が予想出来ます。

　これはビッグバンでも同じで、ビッグバン初期に大量のニュートリノが光速を超える速度で脱出したので、現在の宇宙があるわけで、そうでなかったら、大量のニュートリノが残って宇宙の姿は大きく違っていたという話になります。

　また、ニュートリノを観測すれば、ビッグバン当時の宇宙の姿も観測出来るという話にもなります。さらには、ビッグバン以前の姿も観測出来る可能性が出て来ます。

　今までは観測不可能とされて来た現象が観測出来る可能性があるわけで、大変な発見でしょうね。

回答No.10

SPROCKETER

１．世界中の科学者が集まって１５０００回も測定しても、誰も誤差に気がつかなかったでは笑い話になってしまいます。

２．特殊相対性理論は大幅な変更が必要になるだろうと思います。理論の根幹だった質量を持つ物は光速度を超えられないという大前提が覆るわけですから、大筋では同じでも、結果が大きく異なる新理論が次々と登場するのではないでしょうか。

３．ニュートリノが質量ゼロだったら、光と同じですから、質量はあるだろうと思います。むしろ、負の質量があるから光速度よりも速いのだという解釈が正しいようです。

４．相対性理論の制約を理由に否定されて来た技術が数多くありますが、それが実現可能だとわかっただけでも大きな前進だと思います。

回答No.9

noname#140847

no1です。やはり自分の理論が正しいのではないかと思い始めました。
他の物質でも軽くて光速度に近い物質が存在しますよね。それと似た感じの物質になっていると思います。
　よって√（－１）＝√（（－１）×（＋１））＝（－１）と（＋１）ゆえに今回のニュートリノ騒ぎではプラスの実数値を採用して質量があり速度が光より早い物質が発生する。

回答No.8

noname#140806

いやまってくださいよno1の理論でもなりたつかもしれません。ニュートリノの静止質量がどれくらいなのかわからないのでなんとも言えませんが動いている時の質量が限りなく小さいのでもし静止質量＞動いている時の質量ならば私の理論はなり立つはずです。しかし万が一なので大したことない理論です。

回答No.7

stomachman

「有識者」には非該当の，ただの一般人ですが．
　ニュートリノが線源から検出器までの間の730kmを走るうちに，光に60ns，距離にして20mほどの差をつけたという話ですね．このぐらいになると測れる値だろうと思います．

　特殊相対性理論は，「物事を観測した結果が慣性座標系の選び方に依らない（間主観的一致）」という原理（相対性原理）と，「(真空で加速度がないときの)光速cが慣性座標系の選び方に依らず一定である」という仮定に基づいていて，非常に様々な状況でその精度が確かめられています．また，この理論が，エネルギーEと運動量pと質量mとの関係
E^2 = (m^2)(c^4)+(c^2)(p^2)
を帰結したことはよく知られていますね．ニュートリノの存在やそのエネルギーは実験とこの関係式を通して予言され，そして実際に発見されたのだし，原発や核爆弾もこの関係式が出発点．

　さて，特殊相対性理論と，ニュートリノは光速より速いという実験結果が両方とも正しいということも考えられます．その場合，ニュートリノは光速より遅くは運動できない，いわゆるタキオンの一種だという結論になります．その質量が純虚数だとすれば，運動量もエネルギーも実数値になる．というのは，特殊相対性理論において運動量pは
p = mv/√(1-(v/c)^2)
なので
p^2= -(m^2)(c^2)(v^2)/(v^2-c^2)＞0
E^2 = -(m^2)(c^4)(1+v^2)/(v^2-c^2)＞0
である．v→c+0の極限でp^2Eと^2は発散し，これは速さvが光速c以下になれないということです．だからって，特殊相対性理論からはみ出してしまうという訳ではありません．
　ただし，互いに亜光速で動いている物の間でタキオンを使った信号をやりとりできるとすると，未来から過去に向けて通信を送れちゃいます．未来に生じた事象が過去に影響を及ぼせば，原因と結果の関係がループを形成でき，それはもはや因果律ではなくなります．ニュートリノがタキオンなら，そういうマクロに因果律を破りうる現象が，ごく日常的なスケールでしょっちゅう生じているもの(放射性同位元素のβ崩壊など)だということになり，未来から過去への送信機を実際に作るのを妨げるのは莫大な予算だけ，というハナシになりそうです．

　一方，ニュートリノは光速より速くて，しかも特殊相対性理論は（うんと小さいスケールやうんと高いエネルギーでは）厳密には成り立たっていない，という可能性もあります．以下はキキカジリに過ぎませんが：
　もしそうだとすると，「どの粒子の速さの限界も同じ光速だというわけじゃない．そして，ニュートリノは光速より速い限界を持つ，いわゆるスーパーブラディオンの一種だ」と考えることもできる．タキオンとは違って，スーパーブラディオンは光速以下でも運動できるから，超新星爆発で発生したニュートリノが光より遅れて地球に届くこともあり得るわけです．
　スーパーブラディオンが実在するってのは，案外ありそうな話にも思えます．というのは，もしそうなら，宇宙の暗黒エネルギーや暗黒物質（の作用であるかのように見える現象）だとか，ものすごく高エネルギーの宇宙線の起源，あるいは宇宙の発生過程を説明できるかも知れない．
　ただ，ニュートリノがスーパーブラディオンの一種だということになると，これはかなり大変な話です．量子色力学はもとより電弱統一理論も修正を受けねばならず，ニュートリノの理論ばかりか質量の起源についても理論を再構築しなくてはならないでしょう．電磁気学すらも見直しになるかも．
　既存のスーパーブラディオンの理論と「ニュートリノはスーパーブラディオン」説を融合させた自己整合的な理論を整備できたとして，これまでに積み上げられた莫大な実験結果を矛盾なく説明できる（つまり，標準理論とこの新理論との差が実験誤差の範囲内）かどうか．説明できなければもちろんのこと，説明できたとしたって，いろんな新しい理論が提案されては淘汰される大混戦がしばらく続くことになるかも知れず，するといろんな実験も試みられるかも．そうなれば当然，空間や時間の概念も一新されることになるでしょうし，新しい標準理論の建設が一気に進むかも知れません．
　これは特殊相対性理論が覆るかも，という話ですが，しかし，そうなったとしても（今でもニュートン力学で大抵の用が足りてしまうのと同じく）特殊相対性理論も非常に正確な実用理論として生き残るのは確実です．

　いや楽しいですね．実は測り間違えてました，てへ．なんてことになりませんように．

補足

ありがとうございます。
スーパーブラディオンという言葉を初めて知りましたが、魅力的な理論ですね。
ダークマターやダークエネルギーの説明には都合がよさそうです。
ニュートリノは因果律を破るか？
超ひも理論はどう折り合いをつけるか？
などの疑問がわいてきます。

回答No.6

luna-lux

最大の問題は「物体の運動速度が大きくなると質量が増える」ということに尽きると思います。特殊相対性理論の一番基本的な公式は、「光で動く物を見た時にどう見えるか。」ということを記述した式です。それ以上でもそれ以下のものでもありません。つまり時間と距離（長さ）の式で無理やり重さ（質量）を扱おうとしている点がそもそもおかしいのです（小学生が算数の時間によく先生に怒られるやつです）。どんなに式をいじくっても、これはごまかせません。いかにアインシュタインであろうとも曲げることは出来ません。

　実は特殊相対性理論の式の光速度Ｃを音速と置き換えてもこの式は成り立ちます。つまり音で動いている物を見るということです（もちろん無風状態で・・・・等の条件は付きますが）。
こうもりが旅客機が飛ぶのを超音波で見ていると考えればわかりやすいかも知れません。超音波で見た時は旅客機の長さや旅客機の中の時間が、われわれが光（あるいは電波等）で見たのとは違って見えるでしょう。でも旅客機や乗客の重さや時間は少なくとも光速度を音速に置き換えて計算した特殊相対性理論の値ほどは変わってはいない。計るまでも無いと思います。

ではなぜ光で光子ロケットを見たときに時間が遅れたりするのでしょうか。実は遅れません。見かけ上そう見えるだけです。それは式より明らかです。特殊相対性理論の式には、実際に時間が遅れたり、質量が増えたりということは全く記述されていません。単なる拡大解釈です。あくまで見かけ上どう見えるかが記述されているだけです。光が最速であるということも、光が音と違って特別なものであることも根拠は示されてはいません。

　よく相対性理論の成果として水星の近日点の移動や重力場における時間の遅れなどが上げられますが、いずれも一般相対性理論の成果です。
特殊相対性理論を元に一般性相対性理論が作られたと聞かされているかも知れません。発想は確かに受け継がれていると思いますが、その理論の組み立てや手法は全くといっていいほど違っています。似て（似てないと思いますが）非なる物です。

　光が最速で無くなれば相対性理論も見直しが必要になってくるのは間違いないでしょう。今まで見つかっていた素粒子も当然洗い直しが必要になります。これまで思っていたのとは別の粒子であったりするはずです。量子論自体の再構築が必要になるでしょう。
　しかしだからといって相対性理論が意味の無いものであるかといえばそんなことはありません。すでに世の中の色々な所で実用的に使われている理論でもあります。正しく解釈をして、適用の範囲を誤らなければすばらしい理論であることは間違いないのです。

　今まではなかなかこういった議論は受け入れてはもらえませんでしたが、これからは少しは聞く耳を持ってもらえるようになるかも知れません。
　大雑把な説明で申し訳ありません。詳しく説明すると大変な量になります。数式も大変です。そのあたりはもう少しマメな方にお任せするとして、長くなりましたのでこの辺でおいとまいたします。

補足

お世話になります。

特殊相対性理論の式の光速度Ｃをニュートリノ速度Ｎに置き換えて成り立つかという問題があります。
Ｎは不変なのか、ニュートリノはタキオン（光速以下になれない）なのか？
また事象の地平面の問題もあります。
となるとブラックホールの形成の考え方も違ってくるような。
光速を越えるニュートリノは未来や過去にに到達していると考えてよいのか？
知識が乏しいので疑問だらけです。

回答No.5

noname#140806

すみません間違いです間違いです。

回答No.4

noname#140806

しかし私の理論だと質量が増えてなきゃいけないのでまちがいかもしれませんよね？