光速を超える？

質問

「無限に剛性のあるものは存在しない」
と習いました．
つまり，固くて長い棒状のものを想定して，その片側の端点を押すと
もう片側の端点が押されますが，これにも無限に固いものはないので
時間がかかり，光速を超えることはできない，ということです．

この原因は，結局この力の伝達のキャリアは物質を構成する電子であり，
それがバケツリレー方式で伝わるに当たって圧縮されたりするので
光速より送れるのだと思います．

では，物質の最小単位であるクオークを数珠状につなげて端点を押せば
残りの端点には一瞬で伝わるのでは？と思ってしまうのですが，
これがなぜ間違ってるのかを教えて下さい．

お願い致します．

回答No.9

有木 巨智麿（@kothimaro）

現在では、超ひも理論が最も有力視されています。こそでは、超ひもはお互いに結びつき固定され、自由には動けないと考えます。物質や光や物質を動かす重力・電磁力等の4つの力も、この「超ひもの網」上を振動として伝わると考えられています。超ひもの振動自体が光速Cなので、何ものも高速移動で伝わることが出来ないのです。
ですから、粒子と言う物質は存在しません。物質である粒子として振動する超ひもがあるのみです。
超ひもの長さは、プランク距離である1.616199×10^-35ｍです。一本の超ひもの振動が、一つの粒子です。そして、その物質としての振動は、隣の超ひもに次々と伝わって行くのです。。1本の超ひもの端から端まで光の振動が伝わるのに、5.39106×10-44秒掛かるとされています。これをプランク時間と言います。従って、光の速度=プランク距離÷プランク時間= 299,792.4km/秒となります。
力も超ひもの振動として表現されます。力と言う超ひもの振動が、超ひもの端から端まで伝わるのに要する時間は、やはりプランク時間です。
仮に、10個のクォークを繋げても、その端から端まで力が伝わるのに要する時間は、5.39106×10-43秒掛かります。従って、力の伝播速度は光速を超えることはないようです。

お礼

敷居が高そうでとりかかっていなかった超ひも理論ですが、すごくわかりやすく説明していただけました。ありがとうございます。
超ひもという新しい概念を導入できたことで、私の中の疑問もすっきりしました。
誠にありがとうございました。

回答No.8

noname#175206

剛体とローレンツ収縮との関連性には気づいておられたわけですね。正しく考察されておられると思います。

　クォークについては、中性子星より縮退が進んだクォーク星の存在があり得るとする見解もあるようですから、マクロでのクォーク物体はあり得るようです。

　しかし仮に剛体が存在するとして、剛体が一切の加速を受け付けない（即ち、ピクリとも動かせない）ということは、たとえば次のようにして分かります。

　剛体の棒があるとして、その棒の端を押すと、棒のどの断面も同じ力が発生します。そのため、もし剛体棒が加速できるとすると、一瞬にして反対側の端まで同じ力が伝わり、その端も動きます。

　この、押される端と反対側の端に注目し、これを無重力空間に置かれた2機のロケットだとします。2機のロケットは、互いに静止しており、全く同じ加速性能だとします。

[観測者］［ロケットA＞・・・・・・［ロケットB＞

　その2機のロケットを、同じ慣性系の観測者が観測しているとし、その慣性系での同時刻にロケットに加速を開始させます。2機のロケットは、観測者から見て一定の距離を保ったまま加速していきます。時計の遅れの効果により、次第に加速度は減少したりはしますが、2機が同じ加速度であることは変わりません（同時刻の相対性を考えると、もっと厄介なことがありますが割愛）。

　2機のロケットは観測者に対して速度を持ち、かつ、観測者に取っては間隔が同じままですから、ローレンツ収縮を考慮すると、ロケットAあるいはロケットB基準では、ロケット間の距離が開いてしまいます。

[観測者］［ロケットA＞………………［ロケットB＞
[観測者］［ロケットA＞・・・・・・・・・・・・・・・・・・［ロケットB＞

　もし、ロケットA・Bがゴムひもでつながれていたら、ゴムひもは伸びます。

　剛体を押して加速できるとしたら、同じ状況が起ります。つまり、剛体を加速すると剛体は伸びなければなりません。これは、剛体が変形しないということに反します。つまり、剛体は加速できず、したがってどんなに力を加えても、叩いてもピクリとも動かないことになります。

P.S.

　同時刻の相対性を割愛しましたが、それを使ったパラドクス問題があったりします。たとえば、以下のような問題です。

　剛体の1車両列車が亜光速で鉄橋に差し掛かろうとしている。しかし鉄橋は崩れてしまっている。剛体列車が鉄橋に対して静止していれば、列車の長さは鉄橋の2倍弱。もしゆっくり渡ろうとすれば、列車先頭が鉄橋出口に辿り着く前に列車の重心が入口を通過してしまい、列車は傾き、先頭は崖にぶつかるか、落ちるかしてしまう。

　列車の立場からすると、壊れた鉄橋はローレンツ収縮で短くなっており、列車の重心が鉄橋の入り口にさしかかる前に、列車の先頭が鉄橋出口に辿り着くことになり、列車は安全に渡り切れる。

　鉄橋の立場からすると、ローレンツ収縮を起こしているのは列車であり、列車の先頭が鉄橋出口に差し掛かる前に、列車の重心は鉄橋入口を通過するため、列車は傾いてしまうため、列車は無事に鉄橋を通過できない。

　これを無理やり両立させて解釈しようとすると、たとえば「鉄橋の立場から見た列車の先頭は、受け取るべき力を未来から得ている」といった、気持ちの悪い解釈になったりします。

お礼

これはまた，他の方とは違う新しい観点でとても参考になりました．
そもそも加速できないのですね．

あと，そのパラドックスは面白いですね．
ミクロのパラドックスをマクロに拡張させたときに，常識を逸脱する問題が提起されるというのは，シュレーディンガーの猫と少し似ていますね．
その問題は現時点では答えが出されてないのでしょうか？

ありがとうございました．

回答No.7

noname#213462

クォークの数珠があったとしても、クォークとクォークが繋がり合ったり反発し合ったりするそのクォーク同士の相互作用は結局光速度が上限なのでは？

お礼

たしかにやはりクォーク同士の相互作用も力の伝播ですよね．
自分は物理の初学者なので，
なんというか空間に入りきらなくて押し出すイメージを持ってました．
2つ以上のクオークが同じ場所に入ることももしかして可能なのですか？

ありがとうございました．

回答No.6

foomufoomu

アインシュタインの理論では、「完全に剛体であっても光速度以上で変形が伝わることはない。」のだそうです。

お礼

なるほど．
完全な剛体の棒付きが光速度以上で伝わらないメカニズムは，ローレンツ収縮の理論と同じですか？

いいところに気づけました，ありがとうございました！

回答No.5

SPROCKETER

光速度を超えられないのではなくて、光速度を超えて運動している物体は観測にかからないのだと考えれば、宇宙に光速度を超える物体が数え切れないほど飛行していても、観測出来ないから発見出来ないという理由で問題回避出来ますから、一概に言えませんよね。

　現在では、眼に見えない放射線が多数存在していて、肉眼で見えている可視光線の波長は極めて制限されている事実を多くの人が知っていますが、これがわからなかった頃は、眼で見えない物は存在しないと考えられていました。

　光速度を遥かに超える速度で運動している電磁波や物質はタキオン粒子と考えられていますが、宇宙空間に無尽蔵に存在していても、観測にかからないので発見出来ません。

　光速は超えられないのではなくて、光速を超えたものは観測にかからない。光速よりも遅い速度では運動出来ないという解釈をして置いた方が良いようです。

　無限に鋼性がある物は存在しないという定理も同じです。中性子星の中心核のようにハイペロン（重核子）の塊で出来ている物を使って光速度以上の速度で伝達しようとすると、重力が大き過ぎてブラックホールになると考えれば、光速度を超えられない理由を説明出来るでしょうし、鋼性の問題だけではないかもしれませんよ。

参考URL：

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%BF%E3%82%AD%E3%82%AA%E3%83%B3

お礼

なるほど，他の方とは違った斬新な回答ありがとうございます．
たしかに，物理学は観測や実験から成り立ったものということを考えると，観測し得ない部分の理論が発展しないというのは辻褄が合う話だと思います．

後半の，光速度以上に到達しようとするとブラックホールになってしまい光速が超えられなくなる，というのはなぜなのでしょう？

回答No.4

Cupper-2

クオークって繋げられるの？

ビー玉を並べるようにクオークを並べられるの？
隙間無く並べることができるなら質問者さんの理論通りですけど…。

お礼

やっぱり，出来ないですよね，，，
たしかにぶっとんだ仮定をしたらなんでも可能になってしまいますし，的外れな事を言ってしまいました．

いいところに気づかせていただけました．
ありがとうございました！

回答No.3

chiha2525

光が光速なのは、それが情報伝達の上限だからだと考えられています。
同様に重力（重力波）も光速と同じ速度で伝わります。
想像上の完全剛体を押したときも、その情報は光速と同じ速度で伝わります。

本当かどうかは分かりませんが（※実験的に確かめられているかどうかというと良く分からないという意味）、相対性理論ではそういうことを前提になっていたはずです。

お礼

情報伝達の上限を光が担ってるのは，なぜなのでしょうか？

また，完全剛体を押したときに情報が光速と同じ速度になってしまうメカニズムは，他の物体が光速を超えようとするときのローレンツ収縮などが起こって時間が速く進むというものと同じ理解でいいのでしょうか？

光が情報伝達の上限という見方は新しい観測点を与えていただけました．ありがとうございました！

回答No.2

shintaro-2

>物質の最小単位であるクオークを数珠状につなげて

それが原子であり原子同士の結びつきだと思うのですが、違いますか？

原子を構成しないで、クォーク同士を結びつけることができるのであれば、可能かもしれません。

お礼

確かに，クオーク同士を都合よく結びつけることはできないですよね・・・

でももしできたら，私もできると思ったのです．

いいところに気づかせていただけました，ありがとうございました！

回答No.1

Tann3

クオークにせよ、物質の最小単位にせよ、相互がどのように結びついているとお考えですか？

　結局は、「引力（重力）」とか「電気力」とか「核力」とか、何らかの「空間＝場」の相互作用でつながっています。これらの「場」の相互作用がどのように伝搬するか、ということに依存する訳です。
　ご質問者さんのおっしゃるような「完全に剛な結合」というものは存在しないのです。

お礼

なるほど，私はかなり見当違いなことを申し上げていたようで，お目汚し失礼致しました．
確かにそのような話は聞いたことがあり，新しい考え方を獲得できたようで嬉しいです．ありがとうございます．

私あまりその辺がまだ理解できていないのですが，やはり相互作用という形で伝搬するんですよね，なにか完全に隙間のない最小単位であるクオークならマクロな視点での玉突きのように空間の存在を押し出す事ができるような気がしていたのですが・・・

ちょっと説明が下手で伝わっていないかもしれないですが，力の相互作用としてではなく物が存在するという理由だけで押し出すことはミクロの世界ではあり得ないのでしょうか？
そもそもあるものがそこに存在するということは，別のものが同じ所に存在することを妨げるものではない，ということですか？

お手数をおかけいたしますが是非その辺を詳しく教えていただけると嬉しいです．