光速

質問

特殊相対性理論の質量の増大から光速を超えるのは無理だといいます。でもなぜ光速に近づけば近づくほど質量が増大するかわかりません。
また、前方に光を照らしそれを光速を超えた宇宙船（それがあるとして）で追いかけたとき、光速より速いわけだから前方の光を追い抜くはずです。しかし光速度不変の原理より宇宙船から見た光は常に等速・・・追い抜けないことになります。
本当に光速を超えるのは無理なのでしょうか？

回答No.5

有木 巨智麿（@kothimaro）

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、私は宇宙を次の様に想定しています。
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、網の状態に繋がって固定されたと考えています。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。「超ひも」も宇宙のエネルギーが低下し、相転移を起こすと、固定され網状に繋がります。

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ています。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説明されます。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。

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。

　光は抵抗を受けないので、そのまま高速で「超ひもの網」上を伝わります。物質は、ヒッグス粒子がまとわり付き動き難くなるので、光速未満でしか動く事は出来ません。

　ご質問に戻ります。物質は超ひもの振動なので、その超ひもの振動自体が光速で伝わるため、光速を超えて移動することは出来ません。また、高速で移動する物質は質量が増加した様に振舞うといいます。しかし、実際に質量が増加するわけではありません。速度は質量に反比例します。同じ力を加えても、質量が2倍となれば、速度は１/2倍となります。物質は超ひもの振動なので、光速に近づくとなかなかそれ以上は加速しなくなります。速度Vkm/秒で移動する物質は、質量が1/√(1－V^2/C^2)倍となり、静止時に比べて√(1－V^2/C^2)倍の速度しか出せなくなります。速度Vkm/秒で移動する物質を上下或いは左右方向へ力を加えます。しかし、幾ら力を加えても、速度は√(C^2－V^2)km/秒しか力を加えた方向へは動きません。これで、その物体の速度はCkm/秒となるります。それ以上動くと光速を超えてしまうからです。
静止時にはCkm/秒まで加速させることが出来ます。しかし、Vkm/秒で移動すると√(C^2－V^2)km/秒でしか加速できません。√(C^2－V^2)km/秒÷Ckm/秒=√(1－V^2/C^2)です。√(1－V^2/C^2)倍しか動かなくなるので、質量が1/√(1－V^2/C^2)倍に増加した様に振舞うと表現します。

回答No.4

thunderfish

速度はベクトルなので、向きがありますが、向きを固定して、大地から見て、質量mの物体がx軸のプラスの方向にvの大きさで動く状況を考えます。

特殊相対論では、この物体のx軸方向の運動量は　γmv、エネルギーは γmc^2 となります。ここで、γはローレンツ因子と言って、γ=1/√(1-(v/c)^2) になります。cは光速で「^2」は２乗、√は平方根を意味します。

γの式を良く見ると、vがcに比べて問題にならないほど小さい場合は、γはほとんど1（物体が静止しているときはv=0なので、γ=1．そこで有名な E=mc^2 の式になります）。
γを1としてみると、運動量はニュートン力学の運動量mvとほぼ同じになり、エネルギーもmc^2とニュートン力学的運動エネルギー(1/2)mv^2の和とほとんど同じです。
しかし、vが大きくなってcに近づくにつれ、分母が小さくなるため、γはどんどん大きくなっていきます。
ということは、運動量はある意味物体の動かしづらさですから、vがcに近づくにつれて加速が難しくなります。エネルギーもv→cのとき、無限大に発散してしまいます。つまり、vをcにするためには無限大のエネルギーが要ることになって、それは不可能となります。

・・・というところで、「質量の増大」の話はどこにいったのでしょうか？
実はmは「この物体と共に動いている観測者から見た質量」なのです。つまりこの観測者から見るとその物体は静止していることになります。そのため、静止質量とか固有質量と呼ばれることがあります。
このmは変化しません。

「質量の増大」の話は、γmを質量とみなした場合の話なのです。γmは相対論的質量と言われ、vがcに近づくとγが付いている分、どんどん増大するわけです。

最近は、相対論的質量を使うと勘違いしやすいので、質量といえば、静止質量のことを意味することが多いらしいです。

よくある勘違いとしては、物体が光速に近づくにつれ、質量が増大するのだから、最後はブラックホールになるのでは？などがあります。その物体と共に動く観測者から見ればmは変化しませんから、重力が増えるわけではなく、当然、ブラックホールにはなりません。

光速度不変の原理から、光を追い越すことはできない理屈は他にもありますが、質量増大に関してに重点を置いて回答させていただきました。

注： 私は別に物理をやっている人間ではない素人ですので、もし、専門家から見て間違いなどがありましたら、（締め切り前なら(^^;)）指摘していただけると幸いです。

回答No.3

Masye

♯１さん、♯２さんのおっしゃる通りだと思います。
　かなり信頼性の高い実験によって、真空中の光の速度は常に一定であるという結果があります。その結果から、古典物理学を見直したものが特殊相対性理論だといえます。
　つまり、光の速度が一定であることを大前提にしているので、この理論では光速を超えることが出来ないということです。
　ちなみに、なぜ光速を超えることが不可能かは分かっていませんが、調べれば必ずそうなってしまうのです。神様がそう決めたからです、としか言いようがないと思います。
　質量が増加するのは、光速が一定と決めると必然的に決まってきます。
　例えば♯１さんのものを引用させていただきますと、

Ｆ＝Ｍａより、力を加えれば無限の速さまで速くなる。
光速一定を決めると、
速度ｖ＝ｃ（光速）のとき、
加速度→０にするためには、質量→無限にする必要があります。
質量が無限ならば、どれだけ大きな力を加えても加速することはありません。
　このように、光速を一定（光速を超えることが不可能）と決めると、必然的に質量も変数となります。
　質量だけではなく、時間や物の長さまで変化します。どれだけ変化するかは、速度によります。（正確にはローレンツ因子）
　まとまりがなく、申し訳ありません。少しでもお力になれれば幸いです。

回答No.2

jameskun

本末転倒とは、正にこのことですね。先に理論を作ってしまい、その辻褄合わせとしか思えないのに、実際実験で証明されてしまいました。

「質量が増えるから、光速を超えるのは無理」
なのではなくて、

「光速を超えるのは無理だから、その代わりに、その代償として質量が増える」
のです。

日常生活で、デブは足が遅い。というのは、理解できますが、あんまり早く走りすぎると、デブにされる。　なんて言われても、理解に苦しみます。そこが、準光速の不思議であり、面白さだと思います。
神様が、誰にでも平等にしよう、とお決めになられた規則のようです。

回答No.1

BLUEPIXY

物体に力を加えると（つまり加速しようとすると）運動量が増えます。
運動量とはぶっちゃけていうと
ｍｖ（質量×速度）です。
ところが、物体の速度には、光速度という上限があるので、速度を力に比例して大きくし続けることはできません。
じゃあ、何が大きくなるかというとｍを増やすしかありませんね。
というわけで質量が増えると言うわけです。
これは、運動エネルギーという面でいっても同じです。速度に上限があってエネルギーが増え続けるには、質量が増えないといけません。そういう意味で、エネルギーと質量は等価（可換）です。

後の問いについては、光速度不変を言っていて、光速より速い（宇宙船）と仮定することがそれ自体が矛盾しています。
意味がわかりません。

参考URL：

http://okweb.jp/kotaeru.php3?q=1552996