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.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。