超光速

質問

光速を超えることができたと仮定した場合、どのような問題が生じますか？

※観測不可能問題の設定及びその演繹回答は、不適当回答(質問の回答ではない)とします。

回答No.12

noname#212313 · ベストアンサー

念のため、こういうことも言っておいたほうがいいかな、と思いますね。

　相対論通りで矛盾は出ないかといったものは、初歩的なもののなら「双子のパラドクス」が有名。これを説明するのが、初歩的な練習問題になっていたりもする。この類はたいてい、同時刻の相対性の適用し忘れでしかない。まれに剛体を使ったものがあるが、剛体があるとはどういうことか、を述べるのが通例。相対論的には剛体は存在しない、ということになる。

　こうすれば超光速、という類もある。1光年の剛体に近い（剛体は避ける）棒を押したり引いたりすれば、超光速通信としてどうか。切る側が1光年のハサミを閉じたり開いたりはどうか。これらは運動量、運動エネルギーの点で棄却される。

　相対論が述べるローレンツ収縮を光速度未満で使えばどうか、というものもある。1光年の棒を0.01秒で光速の99.9999％まで加速するならどうか、棒の各所に大出力のロケット推進つけるなどすれば、できるだろう。そうなると、ローレンツ収縮する速度が光速度を超えるじゃないか。そういうものもある。これも棄却される。

　どう棄却されるかは長くなるので、ここでは述べない（※回答者の意思なので尊重されるよう希望する）。特に相対論自体にこれから数式込みで入門する人にとっては、生半可な教科書一冊では足りない。一応は学んだ人向けにそういうことを集めたような書籍もあったように記憶するが、書籍名は失念した（お遊びとしか思えず、興味が持てないゆえ）。興味があれば、お探しあれ。

　私は興味はもうない。間違いなど、無数にあり得るからだ。正しいことを知るのが先。あらゆる間違い方に対応を考えるのは、時間の無駄であるし、無数にあり得る間違いに事前に対応する必要もない。正しく理解すればいいだけだからね。間違いが出てきて、対応すべきならすればいいだけのこと（しかも100年間でやり尽くされている、基本的なことなら）。

　しかし、特殊相対論が今のままで正しくない可能性は未だに研究されている。例えば、高エネルギー領域。GZK限界が破たんしているかもしれないという観測結果に刺激されて、活発になっていたようだけど、ちょっとこのところ低調気味になっているようだ。観測事実が溜まって来ないと、理論候補を絞り込めないということがあるように思う。100年前より、そういう今の事情を見たほうがいい、と個人的には思うのだけどね。

　これくらいかな、申し上げられるのは。

お礼

うーん、ですので、論点が違うと言いたいのがわからないでしょうか？

答えを言いますと、
私は物理学という系の中での話ではなく、論理学の中の物理学について少し引いた話をしているのであって、本当であれば私の仮定に対して実験的否定の結果があるかどうか？(これが問題点となる)を答えてもらいたかったのですけどね。

まあ最後にGZK限界というのが出てきたので良しとします。

回答No.11

noname#212313

＃9ですが、補足を見ると「相対論を否定する回答を書いてくれ」と読めますね。

　できませんよ。当時無名の研究者が提案した理論が、当時の一流物理学者を退けて正規の物理学理論として採用され、100年以上も使って問題ないどころか、瑕疵すらなく、既存の物理理論を書き換え（※否定ではなく改良）、世界中で実用にまで使われていて、何ら問題ない。

　これだけ長く、広く「その通り」となっているもの、私のお筆先、舌先三寸でひっくり返るわけがありませんね。当たり前のことですが。

P.S.

　理論を否定したい場合、可能な方法は二つ。一つは内部矛盾があることを明示する。数式込みで、ですが。もう一つは実験、観測事実との不整合を指摘する。決定的なものでなければなりませんが。

　そういうことは、この100年間、されてきたわけですよ。それでもびくともしなかったのが相対論なんですけどね。検証としてやられていないことを探す方が難しいと思いますよ？

　注意が必要なのは、「アインシュタイン（とポアンカレ）の理論」ではないということ。アインシュタインの論文通りでは使われず、実はあまり見向きもされず、彼の数学の師のミンコフスキーが書き直したものが、広く受け入れられたわけですからね。タキオンなどもアインシュタインは思いも寄らなかった理論的副産物。最も単純なブラックホールの発見もアインシュタインではない。ローレンツ収縮が光学観測できないことも知らなかった。

　なので、今ある相対論を見てみることが必要です。受け入れるかどうかは別として（それは個人の自由）、面白い理論ではあると思いますよ。一般はともかく、特殊は単体で使いませんが、それでも結構面白い。ま、ご興味があれば、ですが。

回答No.10

noname#212313

#9ですが、多少補足しておいてもいいかもしれない。

　普通の物質（タージオン）が光速度以上にならないことは、素粒子実験で何度も確認されている。どんな大規模・高出力な粒子加速器を建造しても、光子でないタージオン素粒子で、例えば電子のような極めて軽いものが光速度に達しない。

　そのことなら、膨大な回数確認されている観測事実になる。運動量、運動エネルギーは与え得た分だけ素粒子は持っている。しかし、光速度に達しない（※ニュートン力学なら超光速と計算される）。そういう事実がある。

　同時に、限りなく光速度に近い素粒子から発せられる光（光子）が必ず光速度であることも、膨大な回数の観測事実がある。

　その程度のことを確認できないで、素粒子実験を解析することができない以上、上記は観測事実と受け取って差し支えない。仮にその程度のことを確認できていない研究論文はリジェクトされるか無視されるし、研究者も一人前扱いされない。

　以上は、あくまでも一例に過ぎないことを、念のため断っておきたい。類例は質問者様ご自身で調べてみるといいだろうと思う。興味深い例がいくつも、たぶん見つかるだろうから。

お礼

別に研究しているわけではありませんけどね。

この質問に関しては、どういう論理展開になるかに興味があるだけです。

確かにご回答頂いたことは尤もなのですが、それはわかった上での質問です。
今や理論を解説した本やサイトなどは腐る程ありますからね。

だから大胆に仮定から破綻(偽ではない)させたらどうなるかの思考的なものを聞いてみました。
それについて研究したいわけでもありません。

回答No.9

noname#212313

０．古典以前の解釈（ニュートン力学、あるいはそれ以前）

　何がどこまで速くなれるかは制限がない。移動における所要時間がゼロどころかマイナスになる、つまり過去に戻ることもあり得る（古典電磁気学の先進波等）。

１．古典的な解釈（20世紀前半まで）

　相対論的には、光（ルクソン）以外、つまり普通の物体（タージオン）を光速度まで加速しようとすれば、無限大の運動量、あるいは運動エネルギーを与えなければならない。ゆえに超光速まで加速させる不可能。
　同時に、それは静的空間でのことであり、膨張宇宙など、空間同士の相対速度では問題なく、超光速は問題なく可能。ただし普通に言う速度の定義は満たしておらず、見かけ上の超光速に分類されることもある。
　量子力学の量子もつれ等として知られる超光速現象は、因果関係を発生させないため、超光速であっても問題はない（今のところ、所要時間ゼロ、つまり無限大の速度とされる）。

２．近代的な解釈（20世紀中盤以降）
　相対論の枠組み内で超光速が可能とされる理論展開があり（タキオンと命名され、有名になった）、超光速が理論的にあり得るとされるようになった（ホーキング等の否定する仮説もある）。タキオンの他、空間のショートカット（ワームホールと呼ばれるもの等）も同様に超光速を事実上、実現する。

　これによって発生するのは、過去へ戻ることの問題（過去へ通信を送る＝未来からの通信を傍受することを含む）。僅かでも光速度を超えるものがあれば、複数の慣性系を工夫することにより、過去に戻れることになる。

　単純にいえば、次のような状況が発生するということ。ある離れた2地点を移動するとして、速度が速いほど所要時間が短くて済むのは当然。速度が無限大なら所要時間はゼロ。それよりも速い状況が存在し、それは所要時間がマイナスということ。つまり、別の地点に行くとして、無限大より速い超光速で行けば、目的地に着いたとき、出発したより以前の時間になっている。同じようにして出発地点に踊れば、さらに過去ということになる。

　過去に戻るということは「母親殺しのパラドクス」などで知られる通り、解決不能の問題を起こす。因果律の問題ということ。相対論は因果律を保証しない。どんな物理学も因果律を保証しない。経験則として成り立つと考えて、証明なしに因果律を使っている。しかし、「母親殺しのパラドクス」が実際に生じるような世界であると、物理学は因果律に依存するゆえ、物理学は破たんする場合も出てくる。

　そうならない保証はない。熱力学は実は高確率で成り立つことが証明されたように、物理学全体が単に高確率に成り立つ、あるいは今まで運よく破綻しなかっただけの可能性はある。なぜなら、因果律は証明されていないから。

　ただし、因果律が絶対則でないということは、途方もなく確率は低いと言わざるを得ない面もある。今まで調べたところ、最長では宇宙の寿命の100億年以上であるが、因果律が成立していないようなことは、微かな痕跡すら見つかっておらず、現在の宇宙（観測可能なのはどちらを向いても100億光年以上）を観測する限りにおいて、極めて安定している。因果律の不成立が観測可能な程度の確率で起こるなら、このように安定しているということは、まず考えられない。

　過去へ戻ることについて、人工的な説明をしたが、分かりやすさのためでしかない。人間が意図的に起こせるなら、宇宙全体では当たり前に起こるものとするのが、自然な考え方。宇宙誕生以来、ずっと起こっていたと考えるべき。その形跡がないので、数学を基とする理論からは出るが、実際にはそれが不可能な何かの理由があると考える向きも多い（ホーキングの時間順序保護仮説、さらにペンローズの宇宙検閲官仮説等）。

３．別解（過去に戻って問題ない例）

　この宇宙がローカルでは確率的な世界に見えても、全体では完全な決定論的世界である場合、過去に戻っても何ら差し支えない。過去に戻ることも含めて決定されており、過去に戻って矛盾を引き起こすようなことはできない。そのように決定されている。こうしたことが起こる宇宙は、時間がループ構造になっているゲーデルの宇宙解などがある。

　それとは別に、この世界の過去とそっくりな平行世界があって、それと行き来する場合は問題ない。

　いずれも、現時点ではいろいろな意味で『実在性』はないと考えるのが主流ではある。

４．総括

　調べ得た限りでは、過去へ戻ることを許容する超光速は、限りなく見込みは薄い。しかし、何度も引っくり返すようだが、それでも自然（宇宙）が数学で記述できるようにできている、あるいは人間が論理的に理解できるようにできている保証はない。物理学自体、存在している期間が短く、直接に充分に調べ得た範囲も狭い。時間も空間もローカルな理論体系と考えるべきものである。少なくとも現時点では、だが。

　誠実に、短く、平易に答えるなら、以上のようなものになる。

お礼

論理を順番に並べたならば、

>　相対論的には、光（ルクソン）以外、つまり普通の物体（タージオン）を光速度まで加速しようとすれば、無限大の運動量、あるいは運動エネルギーを与えなければならない。ゆえに超光速まで加速させる不可能。

なぜ無限大の運動量、あるいは運動エネルギーを与えなければならないと言えるのでしょうか？
その物理量の直接的な観測事実があるのですか？

補足

仮定した質問文の内容は、質問の系の中では事実として扱わなければならないのであって、調べてもそんなことを真面目に書いてある文献なんかないでしょ。

質問文を噛み砕いて話せば、「相対性理論が実験によって破綻に追い込まれた場合どういう問題が生じるか」を聞いているようなものです。
「ようなもの」であって同じではない。

だから相対論を出してくる回答は須く否定しているわけです。
過去に戻るというのも実際に実験したものですか？

タキオンも私の質問の超光速とは意味が異なるでしょ。

相対性理論が間違いであるという主張する人が世の中にいる。
ではその反論はできるか？という思考実験的なものです。

これまでの回答者の中で、的確に答えられる人はまだ出てきていません。
もちろん私も「何が正解か」はよくわかりませんが、少なくとも今までの回答は全て反論されてしまうものです。

「限りなく望みが薄い」ではなく実際に超光速となる場合という「仮定している」って何度言ってもわからないのは何でなんですかね？
あなたの回答に限らず、多くの回答がこの質問に於いて「自己言及のパラドックス」になっているということです。

私の設定した原則仮定に、別の論理で導かれた結論を以って反論することは言語道断とは思いませんか？
そもそも仮定が相反するんですから。

回答No.8

fxq11011

＞光速を超えることができたと
できた、という表現は加速して・・・と取れます。
最初から光速を超えているなら、超えることができた、の表現は不適当？。
したがって、質問自体が問題？。

回答No.7

foomufoomu

No.6回答にもあるように、相対論は、普通の物体が光速度以上に加速できないことを説明していますが、光速度以上の物体が存在することを否定しているわけではありません。
相対論によると、そういう物体は光速度以下に減速することができません。

補足

お礼欄の文言は語弊を招きそうなので改めます。

その考察の末に、一体どんな問題が生じるのですか？
減速できないからどんな問題が生じるのですか？

この質問は受験勉強や試験勉強に慣れた人からすると、本来回答できない質問ではありますが。

回答No.6

雪中庵（@psytex）

通常の物体が「光速を超える」ことはできませんが、最初から
超光速であれば問題はない。
相対性理論では、超光速においてエネルギーは虚数になります。
エネルギーは相互作用において自乗で作用するので、マイナス
エネルギー＝時間軸逆行と等価となる。
つまり、超光速＝虚数エネルギー粒子の時間軸巡行「i×i」は、
負エネルギー＝反粒子の時間軸逆行「－（1×1）」は等価であり、
それはまた、観察者にとって通常粒子の時間軸巡行に見える。

そこにおいて、虚数と実数を相互作用し得る０は、４次元ミンコ
フスキー空間における時間軸と空間軸の等距離点に現われる
ライトコーンであり光量子の描く軌跡でもある。
つまり、量子相互作用（光速）を介して、未来（光速下=予測=
空間的広がり）と過去（超光速=記憶=時間的流れ）は対発生して
いると言える。
それは正エネルギー通常粒子（光速下）と負エネルギー反粒子
（超光速）の対発生なのでエネルギーを要さないし、粒子数も
保存されるのだ。
超光速における「全宇宙に一瞬で到達できる」という特性は、
宇宙が一点である＝過去からの静止となり、量子相互作用＝
感受表面からの過去と未来の対発生は、過去から未来への
持続の中での感受表面での量子相互作用として捉えられる。

そうした「相補分化」は、原理的に超弦＝光速に還元される
本質を、階層現象性（超弦＞クォーク＞素粒子＞原子＞分子
＞細胞＞個体(認識体)）を表面的に捉える（いい加減に捉える）
ことによって派生する仮想的な非光速性により、本質的な
実体ではないのだ。

お礼

長々とありがとうございます。

私の質問文の修飾詞を除くと、「どんな問題がありますか？」です。

あなたの考察の末に一体どんな問題が生じるのですか？

回答No.5

有木 巨智麿（@kothimaro）

質問者さん、相対性理論では、「いかなる物体も、光速を超えて移動することはない。」(アインシュタイン博士)と考えます。
では、何故光は光速を超えて進まないのでしょうか。光が粒子であれば、更にエネルギーを加えると、幾らでも速く動きそうです。

現在の物理学では、「超ひも理論」が最も有力視されています。そして、宇宙を次の様に想定します。
宇宙開びゃくの瞬間、宇宙は非常にエネルギーの高い状態にあり、個々の「超ひも」は自由に空間を動き回っていました。しかし、宇宙のエネルギーが、100GeVになった時、「超ひも」は相転移を起こしたと考えられています。相転移とは、水蒸気が冷えて氷となる様な現象を言います。水蒸気として自由に動き回っていた水の分子は、冷えて相転移を起こし氷の分子として固定され、もはや自由には動き回ることが出来なくなります。

ここからは、私見です。
ビッグバンの初期には、「超ひも」は光速を超えて自由に移動していました。しかし、宇宙のエネルギーの低下に伴い、宇宙は相転移を起こし、「超ひも」は固定され網状に繋がったと考えます。

そして、その「超ひもの網」の上を、物質や光及び重力・電磁力・強い力・弱い力の4つの力は、振動として伝わると考えます。つまり、物質が移動して見える現象は、実は超ひもの物質としての振動が、次々と隣の超ひもに伝わる現象であると思います。そして、「超ひも」の振動自体が光速で伝わるので、何ものも光速以上で伝わることは出来ないのです。

超ひも理論では、物質も光も一本の超ひもの振動として表現されます。超ひもの長さをプランク距離Lと言います。振動が超ひもの端から端まで伝わるのに要する時間をプランク時間Sと言います。超ひもの振動は光速Cで伝わります。従って、
光速C=プランク距離L÷プランク時間S=L/S= 1.616199×10^－35ｍ÷5.39106×10^－44秒=299,792.5km/秒となります。

ここで注意したいのは、１本の超ひも上を光は光速で振動として伝わることです。そして、真空中も同じ光速で光は伝わります。これは単なる偶然でしょうか。
真空中には、超ひもが繋がったものがあり、その上を光はそのまま光速で伝わっていると考える方が自然です。

私は、この理由により物質は光速未満でしか移動出来ないと考えます。相転移する前の宇宙は、超ひもが繋がっておらず、自由に飛び回っていたので、光は光速を超えて移動することが出来ました。インフレーション理論でも、宇宙開闢の一瞬あらゆるものは光速を越えた速度で飛び散ったと考えます。その後、宇宙は相転移し、超ひもが網状に繋がったので、光は光速で真空中を伝わる様になりました。

次に、高速で移動すると時計は遅れます。
下図に基づいて説明します。今、観測者K’がX軸の正方向へVｍ/秒で移動しています。時計もVｍ/秒で同じ方向へ移動しています。観測者K’には、この時計は1秒間に1秒を刻んでいると観測されます。では、静止しているKには、この時計は何秒間に1秒を刻むと観測されるでしょうか。

Vkm/秒で移動すると、物質を構成する粒子は静止時の√(1－V^2/C^2)倍しか動けなくなります。このことは、加速器の実験やカウフマンの実験でも証明されています。相対性理論では、これをm=m0/√(1－V^2/C^2)と表します。

例えば、Vkm/秒で移動する粒子を、進行方向に向かって上下左右方向へ動かします。その方向へ動かせる限度は√(C^2－V^2)km/秒までです。この時、粒子の速度は、√{V^2+(√(C^2－V^2))^2}=Ckm/秒となります。これ以上粒子が、上下左右方向へ動けば、その速度は光速を超えてしまい矛盾します。
静止時には、その方向へはCkm/秒まで動かすことが出来ました。従って、V慣性系では、静止時の√(C^2－V^2)km/秒÷Ckm/秒=√(1－V^2/C^2)倍しか動かせないことが分かります。

速度は質量に反比例します。同じ力を加えても、質量が2倍になれば速度は1/2倍となります。従って、V慣性系では、粒子が√(1－V^2/C^2)倍しか動けなくなることを、「Vkm/秒で移動する粒子は、質量が1/√(1－V^2/C^2)倍に増加した様に振る舞う」と表現するのです。

この様に、Vkm/秒で移動する時計を構成する粒子は動き難くなります。そして、時計は1秒間に√(1－V^2/C^2)秒を刻む様になります。
また、私の肉体を構成する粒子も動き難くなります。私は、ゆっくりと動き思考し年を取る様になります。私が静止している人を見ると、あたかもその人に流れている時間は速く経過している様に見えます。

質問者さん、この様に光速に近づくにつれて、私の肉体も持っている時計もゆっくりと時を刻むので、周りを見ると時は速く経過している様に見えます。そして、光速に達すると私は動きを止め時計も止まります。従って、何も見えません。更に加速しようとしても、光速を超えることは出来ません。

お礼

ありがとうございました。

プランク長さもプランク時間も、従来理論の整合をとっているから光速になって当たり前でしょう。
超ひも理論も現在までに知られている結果を元に整合性をとって作られた理論です。
相対性理論は光速度不変の原理を用いて論理展開していますが、超光速はその原理を破ることになるので、どういう問題がありますか？という質問であることは自明です。

相対性理論の範疇ではない質問であることは理解されてますか？
一見あり得ないと思われるかもしれませんが、超光速が発見されたら今まで知られている理論は全て破綻します。
その際、どんな問題がありますか？

そういうことを聞いているわけです。

回答No.4

foomufoomu

相対論によると、自分から見て、光速より速い速度で移動している物体を観測すると、
質量が虚数
エネルギーがマイナス
であるように見えます。　

移動している物体に載っている人が自分を見ると、相対速度はゼロなので何も起きません。

お礼

残念ながら、光速を超えるということは相対性理論では説明できません。
なぜなら、相対性理論は仮定が真空中の光速度を超えることはないとしているからです。

質問は相対性理論が破綻した仮定の話であることは自明です。

回答No.3

noname#225485

光速が越えられるものは質量が虚数あるいは負です。
これらの物質はエネルギーを失うほど加速します。
エネルギー0で速度は無限大となってしまう…。
そして決して光速以下に減速する事は出来ないのです。

回答No.2

chiha2525

相対性理論に従うと因果律が崩れます。
簡単にいえば、スイッチオンで電球が点く、という現象が、観測者によっては電球が点いてからスイッチオンされる、となります。では電球が点いてから、スイッチオンをやめた場合どうなるのか・・

なので、おそらく因果律は崩れないので、相対性理論に修正が必要となります。

お礼

ありがとうございました。

教科書通りの回答にはなりますが、私が提示した質問に対する回答として現時点で最も良いものです。