電気よりも光の方が早い理由を教えてください

質問

電子の速度が遅いのは分かります。
ですが電気の速度は約30万km/sですよね。
それは光の速度とほとんど同じですよね。
電子に質量がある限り光は超えられないと思いますが。

インターネットで言えば、＿ＡＤＳＬ＜光インターネット＿なのはなぜですか？
（サーバーから家までの伝達はほぼ同じだが機器の違いによりＬＡＮへの変換に手間取るせい？）
（一回に送れる情報量が光のほうが多いのですか？）

何かと最新技術は電気ではなく、光を使いますよね。
人間の脳も光ネットワークに出来れば、頭の回転が良くなりそうですね？＾＾
宜しくお願いします。

回答No.6

wata717 · ベストアンサー

光も電子も量子論では粒子です。相対性理論から粒子のエネルギーE、運動量P、静止質量mとすれば、
　　P=E^2/c^2-m^2c^2
が成立します。Pは速度に比例すること、光はm=0ですから、光は電子より速度は早くなります。
しかしADSLにおいて情報を伝えるのは、発信場所における電子の動きが電話線（銅線）における電磁場（これは光）の変化となって、その変化が受信場所に伝播して情報として認識されます。
光ファイバーの場合は銅線でなくて、石英ガラスを光（電磁波）が伝播して情報が伝達されます。しかし電磁波が銅線を伝播しようが、ガラスを伝播しようが速度に大差はありません。重要なのは光の振動数νです。電話線は100kHz位、光ファイバーは100THz位で10^9位相違します。量子論の不確定性原理から、振動数帯域幅Δνと信号情報確定継続時間Δtとの間には、
　　　Δν・Δt > 1
が要求されます。従って振動数の大きい光ファイバーの方がΔνが広くて、Δtが小さく
取れるために、与えられた時間内に情報を沢山送り出すことが可能となります。
詳細はブリルアン「科学と情報理論」を参考にして下さい。

お礼

回答ありがとうございます。
newtonを読んでいる気分になりました＾＾
頭の悪い私ですが、丁寧に書いていただき感謝です。
それでは遠い将来、光ファイバーの周波数でも問題になる時代が来るとしたら、Xケーブルとか、ガンマケーブルなるものが出るかもしれませんね！

回答No.7

noname#175206

確かに導線中の電流は電子の流れです（溶液の正イオンとかは、いったん置いておきます）。電流が流れても、電子の速さは、亀が追い越してしまうくらい、きわめてゆっくりです。

　しかし、導線中には電子が一杯に詰まっています。導線の片方から電子が入ると、ほとんど即座にもう片方から電子が押し出されてきます。

　こういう押し合いへし合いする電子間の力の伝わりは、電子の周りにできる電場のせいなのですが、この電場の移動速度が光速度です（一応、物質中なので、少しは遅いかもしれませんが）。

　ですので、導線が電流を伝えるよう、あるいは交流やデジタル信号を伝えるようになっていれば、そうしたものが導線中で光速度で伝わります。

　身近で目に見えるものに喩えると、水が詰まったホースでしょうか。
　片方から水を流せば、それはゆっくりとホースの中を進むでしょうけど、既にホースに一杯になっている水は、即座に出口から出てきます。

お礼

回答ありがとうございます。
そこまでは何となく理解しているつもりです。

回答No.5

rnakamra

一部だけ。

> インターネットで言えば、＿ＡＤＳＬ＜光インターネット＿なのはなぜですか？

これは光の速度と電気の速度とは無関係。
データの伝送速度とは言いますが実際の速度とは無関係です。光や電気の速度の影響を受けるのは伝送遅延のほう。つまりデータを送ってから受け取るまで何μsかかるか、という点に影響。ただし、この伝送遅延もふつうは途中の機器での受け渡しにかかる遅延のほうが大きい場合が多い。

光ファイバーの通信速度がADSLよりも早いのは信号のON/OFFの切り替えが非常に早くすることが可能であるためです。電線の信号をON/OFFすると電線のインピーダンスの影響で電圧の立ち上がり・立下りが遅くなってしまうのです。電線は非常に長いのでこの影響は甚大。
光ファイバーであれば、信号のものの光源のON/OFFは非常に高速にできます。電線自体も非常に短いためインピーダンスによる立ち上がりが遅くなる効果も限定できます。(通常は素子同士をプリント基板にのっけてしまうのできょりは　非常に小さくて済む)

お礼

回答ありがとうございます。
非常に参考になりました！

回答No.4

tance

質問者様は電磁波の伝搬速度と電子の移動速度の違いは理解されている
のですよね。

光ファイバー内を伝わる光のスピードと電線内を伝わる電気のスピードは
確かに少し違いますが、どちらも「とてつもなく速い」ことでは同じです。

ではどうしてADSLより光の方が速いのでしょう。どちらも電磁波であることには
違いはないのに。

電線を伝送できる周波数はせいぜい数GHｚどまりなのに対して、光は
遠赤外線でも数100THzです。この１０万倍の周波数の違いはどうにも
ならない差を生みます。

実際には１０万倍の違いをフルに生かしてはいなくて、せいぜい10倍程度
なのですが、それでも10倍の速度を余裕でクリアできます。

たとえ話ですが、郵便で400字詰めの原稿用紙に文章を書いて誰かに送るとします。
このとき、もし4000字詰めの原稿用紙だったら、郵便の配達速さが同じでも
高速で届くと言えますね。

ADSLと光はちょうどこんな感じです。

お礼

今は分かりませんが、昔オーディオにハマッていた時に光ケーブルでプレーヤーとプリアンプをつないでいましたが、ノイズが少なく周波数が高い（送信・再生可能な周波数領域が多い）からだったのですね。
納得です！

回答No.3

ORUKA1951

電気？の速度と電子の移動速度を混同してはなりません。
　水のいっぱい詰まった管の一方に、バルブを介して「色水」のタンクをつないでコックを開くと、一方の端から直ちに水が出てきますが、色水が出てくるわけではありません。色水は少しずつ流れていきますね。
　じゃあ、なぜバルブが開いた直後に反対側から水が出始めるのでしょう。？？？

　それはバルブが開いた瞬間に、その部分の水圧が上昇し、その圧力変化が反対側に伝わり、そのためその変化が到達した地点の水が、反対側に移動をし始めるからですね。
　水中の圧力変化が伝わるということは、まさに音が伝わるのと同じです。言い換えると音速と同じ速度で管内を信号が伝わり、一方から水が出始めます。
　音だって、秒速３４０ｍで伝わりますが、大気の粒がその速度で移動していくんじゃない。

　では導体の中の信号はどのくらいの速度で伝わるかと言うと、その導体内の光速で伝わりますから、光速と同じ速度で伝わることも理解できますよね。ただし、真空中よりずっと速度は遅いです。そのため、導体の表面を伝わる速度より内部の速度が遅いためずれが生じます。これが、パソコン内で長い距離信号線を引き回せない理由。

　光の速度も電気信号の速度も同じなので
『人間の脳も光ネットワークに出来』ても、頭の回転は速くなりません。現に光(電磁波)の速度で信号をやり取りしているのですから・・・

＞インターネットで言えば、＿ＡＤＳＬ＜光インターネット＿なのはなぜですか？
　光のほうが周波数が高いため、多くの信号を運べること。
　長距離引き回しても信号の劣化が少ない

お礼

回答ありがとうございます。
＞導体の表面を伝わる速度より内部の速度が遅いためずれが生じます。
初めて知りました！
丁寧な回答ありがとうございます。

回答No.2

noname#215107

電圧をかけたとき、銅線の中を移動する電子の速度は、秒速１センチメートル以下ですね。（亀より遅い？なめくじより速い？）
確かに光に比べると格段に遅いですよね。

導線の中を「電界」が伝わるのは光速ですが、電子は亀以下の速度のままです。実際には電界の伝わる速度は導線の誘電率によって光速未満となります。

お礼

回答ありがとうございます。
そのへんまでは何となくわかっているつもりです。

回答No.1

Tacosan

一般論だと
・光の方が周波数が高い (その分通信容量も大きくできる)
・波長多重 (電気でいう周波数多重) を使えば 100波長くらい乗せることもできる
という感じ.

お礼

周波数の問題なのですね！
なるほど分かってきました。ありがとうございます。