なぜ光より速く運動するモノはないのか？

質問

相対性理論に関する読み物を読んでいるのですが、疑問です。

モノの運動に関する理論と理解していますが、なぜ光の速度が重要であり、
また、光より速く運動するモノはないのでしょうか？

回答No.14

有木 巨智麿（@kothimaro） · ベストアンサー

何故、光よりも速く伝わるものはないのでしょうか。
光は粒子でしょうか、それとも波でしょうか。それを考えるには、何故光は光速を超えて進まないのかがヒントになります。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。しかし、現実にはその様なことは起こりません。それは何故でしょうか。

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」は第三回目の相転移を起こしました。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、私のオリジナルです。
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。

質問者さん、上記で述べた通り、幾ら光の質量が0でも、光が粒子なら、エネルギーを加えると更に幾らでも加速するはずです。なぜ、光の速度は299,792.5km/秒が限界なのか、そのヒントは１本の超ひも上を伝わる光の速度が光速であることにあると考えます。

本来は物質も光と同様に、光速で「超ひもの網」上を伝わろうとします。しかし、「超ひもの網」である空間にはヒッグス場があり、物質がその中を移動すると、ヒッグス粒子が生じ物質にまとわり付き動き難さである質量を与えます。その為に、物質は光速未満でしか動くことが出来ないのです。

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。

質問者さん、この様にすべてのものは超ひもの振動で表現され、超ひもの振動自体が光速で伝わるので、光速を超えるものは存在しないのです。

補足

理路整然とした回答ありがとうございます。

超ヒモが固着され、その振動、伝わる速さが光速(と呼んでいる)という理解でよろしいでしょうか？

回答No.13

htms42

＃６です。
＞ただ、既に光速以上で運動しているモノがあって、我々がまだ観測できないのではという疑問が残ります。

疑問が残るというのであれば、疑問のままにしておけばいいです。
なぜ結果だけをつまみ食い的に知りたいと思うのでしょうか。

観測というのは観測装置と観測されるものとの間に何らかの相互作用が存在しなければ実現できません。また観測をしようとしている側は私達の所属する物質世界です。その物質世界では情報の伝達も運動状態も光の速さを超えることはできないのです。光の速さ以上の速さで運動しているものがあったとします。その情報をどうやって私達の所属する物質世界に伝えることができるのでしょうか。可能だとしても特別な理論と特別な装置が必要なはずですね。
相互作用が光の速さで伝わるということだけでも通常の力学は適用できなくなっているということが明らかです。力学と電磁気学の区別もなくなってくるでしょう。光の速さに近いような速さで運動していると考えられるような物体の運動を考えるためには物理の理論形式の全面的な変更が必要になります。理論形式の変更というのは概念変更を要求します。私たちがものを見るというのは光による情報伝達ですから観測の意味も変わってきます。そういう面での理論が出来上がって、現象との突合せができて、そのあとでやっと光の速さを超えるような存在があるのか、ないのかを問題にすることができる段階になります。
本当にそういうことを知りたいのであれば、その段階から先に行くことをあなた自身が試みてみるよりほかに仕方がありません。

アインシュタインはコイルと磁石の相互作用で電流が生じるというごくありふれた現象を問題にしています。コイルが止まっていて磁石が動く場合、磁石が止まっていてコイルが動いている場合は相対的なはずですね。どちらの場合でも電流が流れます。相対的な速度が同じであれば同じ電流が流れます。これは解釈の問題ではなくて観測される事実です。ところが電磁気学の理論形式としては対称的にはなっていないのです。これはおかしいのではないかという疑問から出発しています。「電磁気学の理論形式をコイルと磁石の運動に対して対称的になるように作り変えるにはどうすればいいのか」という問題意識です。電磁気的な相互作用の伝わる速さが光の速さに等しいということは当時すでに知られていたことです。速さという力学的な概念が電磁気学の構造の中に含まれていることになります。一度にこの問題にとりつくことはできませんので運動の記述の変更から始めたのです。光の速さ（相互作用の伝わる速さ）を中心に据えての理論を構成しようとしたのです。
※コイルと磁石の話はアインシュタインの１９０５年の論文の序文に出てきます。マイケルソン・モーレーの実験については一言も出てきません。この実験について知らないはずはないのですが、それを説明しようというのが直接の動機ではなかったということです。自分の構築しようとしている理論体系がマイケルソン・モーレーの実験の結果に矛盾しなければそれでいいというぐらいのものだっただろうと思っています。この点はマイケルソン・モーレーの実験結果を説明することを直接問題にしたローレンツとは異なります。
（翻訳が岩波文庫から出ています。内山龍雄の解説がついています。ちくま文庫からも出ています。値段は岩波文庫の方が安いです。）
※※光の速さで運動している宇宙船に乗って光の速さで運動している物体を見るとどう見えるかという漫画的な挿絵が載っている本があります。通常の世界での理論とは意味が異なってくるというのは運動だけではありません。見るという観測手段、情報の伝達も修正されるということが抜けています。理論の枠外に客観的な観測者が存在しうるというおかしなイメージを読む人に植え付けるものですから相対性理論の解説本としては失格です。書店には相対性理論を解説している本がたくさん並んでいます。ぱらぱらとみて、宇宙船の絵が出ていればそれは買ってはいけない本です。
※※※「相互作用の伝わる速さが光の速さに等しい」ということであれば通常の物体は光の速さで運動することはできないというのはすぐに出てきます。別にアインシュタインの結果を使わなくてはいけないというものではありません。物体を構成するのは原子とか分子です。原子は原子核と電子でできています。この結びつきはすべて電磁気的な相互作用が原因になっている力です。運動の速さが相互作用の速さに等しくなればなれば電子と原子核の結びつきは維持できなくなるはずだというのは簡単に予測できるはずですね。これは高校レベルです。これだけでも光速で飛んでいる宇宙船に人が乗っているという図がおかしいということはわかるはずです。タイムマシンがどうの、・・・という話もおかしいです。光速で宇宙旅行をしていた人が地球に戻ってきて、・・・と言うのもおかしいですね。単なるたとえ話であって、・・・という言い訳もあるようですが断りもなしにイメージだけでいろいろ書いてもらっては困るのです。

お礼

丁寧なご回答ありがとうございます。

幸い、私の読んでいる本に宇宙船の絵は出てきません。

気をつけながら、改めて段階的に考えようと思います。

回答No.12

chiha2525

物理学というのは答えが先にある学問なので、なぜその答えなのか？と問われても、よく分からないことのほうが多いんですね。
光の速さもその１つで、こいつの性質から、速度というのは単純に距離を時間で割ったものではなく、そいつをねじ曲げて上限が決められているものであることが分かったのです。

ちなみに光はなじみが深いのでよく使われますが、この世の力や情報の伝達速度に上限があり、その上限速度に沿って光も伝わると理解ください。

さらに良く間違えることが多いのですが、例えば１０光年の距離を移動するのに必ず１０年以上かかると思われがちですが、じつは１年で移動することも（１秒で移動することも）可能なのです。ロケットで１０光年（光年というのは距離の単位です）先の星に行くとして、ロケットの外の（地球で見てる）人たちには１０年かかるように見えますが、ロケットの中の人たちは１年しか経たずに着けるのです。
（１０光年の距離を１年で移動したなら光速の１０倍？　いえそうではない、というのが（特殊）相対論です）

このように、距離や時間のねじ曲げが出てくるので、”新幹線より速い電車は（日本には）無い”といった単なる速度競争ではなく、光速に近づけば近づくほど距離や時間がねじ曲がって光速を越せないという話になるんです。

補足

回答ありがとうございます。

光速以上に加速することはできないことはわかりましたが、
既に光速以上で運動しているモノはないのでしょうか？

回答No.11

foomufoomu

>相対性理論自体が、光速を超えるモノはないという
>前提であるという理解でいいでしょうか？
前提・・・というのは、ちょっと語弊があるのですが。
相対論の始まりは、「光の速度を測定すると、必ず同じ速度で観測される。」という観測結果からです。
地球はかなりの速度で自転、公転しているので、光源（太陽や星）に向かって移動している場合は光の速度は速く、遠ざかって移動する場合は光の速度は遅く観測されそうなものですが、なぜか同じ速度で観測される。

これをアインシュタインは「光の速度は一定である」と位置づけて、そのかわり周囲の時間や長さが変化することにしました。
その結果、いろいろ、それまでの常識では考えられない現象が起きることになりましたが、これまでのところ、その後の観測で、すべて正しいことが確認されています。
普通の物体の観測結果が光速度を超えることができないというのも、そこから導かれる結果です。

ただし、普通でない物体があれば、それは光速度以上にもなりえます。相対論によれば、その物体は虚数の質量とマイナスの運動エネルギーを持つことになります。まだ観測されてないはずですが。

>しかし、光速を超えるモノが観測できないから無いというのは少しスッキリしないです…
それが、アインシュタイン流の考え方です。何を基準にして全体の理論を整理するか、という話です。
アインシュタインは、光速度をすべての尺度の基準にして、物理学全体をまとめました。そのまとめ方が便利だったので、今の学者は全員利用している。という事です。

補足

回答ありがとうございます。

アインシュタインは光速を基準に考え、その理論が現在は観測、立証されていると理解しています。

ただ、相対性理論で説明できるのは、現代の我々が認識できる時間や質量の一部分のような気がします。
かつてのニュートン力学のようにある限られた条件下の理論であり、
いずれ光速を定数とせずに説明できるのではと思います。

回答No.10

endlessriver

#7です。
ローレンツ変換を知らなかったんですか。これが、この理論の
出発点になります。四則演算程度の数学なので調べてみてください。

ただ、ローレンツ変換まででも、仮定は

(1) 特殊相対性原理
(2) 光速度不変の原理(光の速さは光源の運動速度によらない)
(3) 同時の定義
(4) 時空間の等方・一様性
(5) 慣性系間の相対速度は光速度より小さい（光速以上は取り扱えない）

があります。これらの意味がはっきりと説明されていないか略されいる
ものが多いので、すぐに全体は理解できないでしょう。

たとえば、双子のパラドックスはこの理論では説明できないのであり、
これを解決したというのは(1)理解していないからなのです。

あまつさえ、時空間の概念の革新があったにもかかわらず、「時間・
座標とは何か、慣性系の時計（時刻）とは何か」の説明がされておらず、

非常識な結論に疑問や誤解が生じ、噛み合わない議論がでます。
これらは、１００年前、碩学達が十分な考察と議論をしたはずなのに。

お礼

再びの回答ありがとうございます。

回答No.9

tetsumyi

光より速く運動するモノは見つかってないと言うのは、観測結果です。
光よりも高速度という発見があったようだと大騒ぎになりましたが間違いでした。
光より速く運動するモノが見つかれば、相対性理論が間違っていたことになるので相対性理論に関する読み物には出てくるはずが無い。
将来見つかる可能性が無いとは言えない。

詳しく知りたいのであれば、相対性理論の専門書の数式から理解するしかない。
アインシュタイン自身も難解で数学専門家の力を借りた高度な数学の土台の上に構築された理論ですから、一般の人向けの読み物で相対性理論はわかるはずがない。
本質的には距離は時間の函数であり、この関係を結びつける係数が光の速度と言うことです。

お礼

ありがとうございます。
光速以上のモノがある可能性はあるが、相対性理論は破綻するということですね。

回答No.8

foomufoomu

相対性理論の原則
すべての速度は、観測者から見た相対速度で考えます。

観測者から見ると、どんなに速く動いているものでも、光速度以下に見えます。
これが、相対性理論でいう、「光速度を超えるものは無い」の意味です。

アインシュタインの考え方には、観測結果至上主義、みたいなところがあって、「そのようにしか観測できないなら、それは現実にそうなっていると考えよう」というのが根底にあります。

補足

回答ありがとうございます。

相対性理論自体が、光速を超えるモノはないという前提であるという理解でいいでしょうか？

しかし、光速を超えるモノが観測できないから無いというのは少しスッキリしないです…
光速を超えるモノがあるとしても、なんらかの観測、若しくは推測は可能な気がします。

回答No.7

endlessriver

疑問の原因は書籍の不備あるいは無責任な著者によるものです。

特殊相対性理論には明確な仮定・原理がありますが、非常識な結論を
導くのに、この明示が端折られているものが少なくありません
（仮定・原理も非常識なものですが）。

この理論の重要な仮定で明示されないもののに

「慣性系間の速度は光速より小さい」

があります。これがないと、
慣性系間に光が届くことを前提に求められるローレンツ変換が導出
できないからです。

当然、光速以上の物体があれば、これに付随する慣性系が考えられ
ますので矛盾です。

つまり、この理論は光以外、光速以上は考えていないのです。理論の
が光速より小さいと結論することは、この理論には矛盾がないことを
示しているのです。

１００年も経つのに、いまだに「双子のパラドックスを（時空図で）
説明できる」なとど言う話が出るのが嘆かわしい（時空図でもロー

レンツ変換以上の結論はでません）。きちんと（説明できないことを）
説明できるのに何のために、教科書を書いているんだろうと疑問です。

補足

ご指摘の通り、私の読んでいる本では仮定の説明が不足しているようです。

ローレンツ変換というのは初めて聞きましたが、興味深いので調べてみようと思います。

ありがとうございます。

回答No.6

htms42

モノは質量を持っています。
質量を持った物体はいろんな速さを持ちうると考えられます。いろんな速さを持ちうるということはその速さを変えるときには何らかの力を加える必要があるということです。初めから光の速さを超えていれば物体が存在するということを認識することができません。したがって光の速さよりも遅い運動をしている物体を光の速さまで加速するということが問題になるはずです。ところが光の速さというのは電磁気的な相互作用の伝わる速さに等しいのです。重力の伝わる速さも光の伝わる速さに等しいです。相互作用の伝わる速さよりも速い速さに加速することはできないということは明らかです。また、相互作用の伝わる速さに近くなるにしたがって加速するのがむつかしくなってくるといううのも明らかですね。同じ力を加えているはずなのに加速がうまくいかなくなるというのは質量が大きくなっているということと同じことだと読み替えることができますね。

数式的な考察ではありません。
相互作用が伝わる速さが光の速さに等しいということだけからどれだけのことが言えるかを考えたものです。数式を使って考えてもこの考察の結果がひっくりかえるということはないはずです。

補足

あるモノを光速以上に加速することができないということは理解できました。

ただ、既に光速以上で運動しているモノがあって、我々がまだ観測できないのではという疑問が残ります。

回答No.5

doc_somday

光の速度で「運動？」するモノは「光子」しかなく、それは「質量を持たないから}
最近一時流行したヒッグス粒子は「存在」に「質量」を与える。
一旦質量を得たら、逆立ちしても「光速」では運動出来ない。
現在のところ光子以外に「質量が無い」存在は無い、だから光速では運動出来ない。
ヒッグスの理論に質量に関するものがあるらしいが、読んでい無いし、私には理解出来ないだろう。
ファインマン先生が考え出し物理の定番になった「ファインマン図」は時間を遡る
存在を許す、その場合その存在は「反物質になる」
光子の反物質は光子でもの凄くつまらない。
なおファインマン図に光を超えて運動する存在は現われない。

補足

光子は質量が無いということになっている(現代物理学の前提？)のようですが、私の疑問はやはりそこに端を発しているようです。
質量を持たない光子というのが理解できません…。

回答No.4

check-svc

「光より速く運動するモノはない」のはなぜかというのではなくて、それが自然の現象（摂理）なのだという仮説を立てて、その仮説が正しいものとして検証されたということです。

「なぜ光の速度が重要か」、アインシュタインの相対性理論で、質量や時間の進み方というのも運動している状態では変化するものであり、それは光速に近づけば近づくほど静止状態のそれとは違ってくるという仮説もまた証明されたからです。

お礼

ありがとうございます。
我々が認識できる現象は、光速を基準にした相対性理論で説明できるということですね。