DS930810のブログ

筆者は自然や自然現象に関心が相当あるので自然に関する記事(天文, 地理, 生物)を書いていきたいと思います。かつては1日2記事を適当な時間に投稿していましたが今のところは午後6時に1記事投稿する形にしています。

光速が変化した場合、どのような影響を受けるのだろうか?

 今回は光速が変化した場合について書いて行きたいと思う。

目次

1. 光速

 光速は光の速度のことであるが正確には光だけではなく、電磁波の速度のことを示している。電磁波とは空間の電場と磁場の変化により形成される並のことであり、光も電磁波の一種である。

 そして、電磁波は光以外にはマイクロ波, 赤外線, 紫外線, X線, ガンマ線などが含まれており、これらの電磁波の違いは波長の違いだけである。波長とは波の長さのことであり、波長が短いほどエネルギーが高く、最も波長の短い, つまりエネルギーの大きな電磁波はガンマ線である。

 そして、その中でも肉眼で観測できる波長の電磁波こそが光であり、光の波長は380~750 nmほどである。この長さはサイズの大きめのウイルス程度であり、光の波長の長さがいかに短いかが分かる。

 以上が光の説明であり、光とはX線や紫外線の一種であることが分かったがここからは光速について書いて行きたいと思う。光速は先ほども書いたように電磁波の速度であり、その大きさは299,792,458 m/sととてつもないほどの速度である。

 この速度はわずか1秒で地球の赤道上を7.48周するほどであり、ロケットで行くと3日はかかる月まで1.28秒程度で突いてしまうほどの速度である。そのため、光速はとてつもなく速いようにも思えるが実は宇宙の広さから考えると非常に遅く、太陽までたどり着くには8分19秒ほどもかかってしまう。

 更に太陽から放たれる光は当然電磁波なので光速でしか進むことが出来ず、太陽の光が地球に届くまでは8分19秒かかることとなる。そのため、地球から見える太陽の光は8分19秒前の光であり、もし太陽が消滅したとしても8分19秒後まで気づくことは無く、それまでは地球に影響が及ぶことも無い。

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 太陽と地球間ではまだ光が届くまでに499秒しかかからないがこの距離が遠くなれば光が届くまでにかかる時間がさらに伸びていき、太陽以外の恒星までの距離ともなると年単位の時間がかかるようになる。

 例えば太陽からシリウスまでの距離は81.36兆 km離れているがこの距離を光が進むのにかかる時間は8.6年であるので現在見えているシリウスの光は8.6年前のものである。そして、更に距離が遠い恒星ともなるとより時間がかかるようになり、地球から最も距離の遠い1等星であるデネブともなると地球からの距離が1.336京 kmも離れているため、デネブが放った光が地球に届くまでには1,412年もかかるほどである。

 そのため、夜空に見える恒星は見えている姿がバラバラの時代のものとなっており、11年前の姿のものもあれば2,000年以上前の姿のものもあるほどである。

 例えばおおいぬ座の恒星はシリウス以外は比較的遠い恒星が多いため、昔の時代の光のものが多くなっている。

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 おおいぬ座の恒星の中でシリウスは近いので2009年のものとなっているがε星は地球からの距離が3,833兆 km(405光年)も離れているため、江戸時代が始まったばかりのものが観測される。

 そして、更に距離の遠いδ星やη星ともなると1京 kmを優に超え、光が届くまでに1,500年以上の年月がかかるようになる。例えばη星ともなると1.88京 km(=1988光年)も離れているので西暦30年と古代ローマ時代の光が観測されるほどである。

 また、更に更に遠いο2星ともなると2京 kmをも超えるため、紀元前746年の光が観測されるようになり、ここまで来るとシリウスとは全く別の時代の光が観測されるようになる(βやεの時点で全く異なっているがο2ともなると弥生時代のものとなる)。

 このように光速が有限であるため、星座を構成する恒星の光は全く異なっている時代のものとなっているほどである。

2. 光速が変化すると

2.1 光速が早くなった場合と遅くなった場合

 光速が速くなると当然ではあるが電磁波の伝搬速度も速くなり、通信速度が上昇するようになる。また、光速が速くなることで恒星の光の届く速度も速くなり、例えば光速が倍になると太陽の光はわずか4分9.5秒で地球に到達するようになる。

 そのため、光速が速くなることは通信速度や光の伝達速度が速くなることを同時に意味しており、例えば火星や土星などの探査機は電波が届くまでにはタイムラグがある程度生じることになるが光速が速くなることでこのタイムラグは小さくなる。

 しかし、反対に光速が遅くなると電磁波が伝わる速度も小さくなるため、通信のタイムラグの影響がより生じるようになり、仮に光速が音速並みに遅くなると地球の反対側に通信が届くまでに1日8時間44分36秒もかかるようになり、もはや通信の意味がなくなるほどである。

 このように光速が速くなると非常に遠くに位置している探査機からの通信速度も非常に速くなるが反対に光速が遅くなると地球上でもタイムラグの影響が大きくなるようになる。

 以上のことより、光速は通信速度に最も影響が出ると言え、どちらかと言うと光速が速くなったほうが良いようにも思える。

2.2 光速とエネルギーとの関係

 光速は電磁波の速度であると同時に宇宙で最も速い速度であるため、宇宙に関する様々な自然現象と関係がある。例えばエネルギーは光速と密接な関係があり、質量とエネルギーは以下の式の関係となっている。

E (エネルギー) = m (質量) × c (光速)^2

 この式はエネルギーが質量と光速の2乗で表されることを意味しており、質量がエネルギーに変換できることを意味している。例えば1 gの物体を全てエネルギーに変換すると89.88兆ジュールものエネルギーとなり、このエネルギーは原子爆弾が放出したエネルギーをも上回ることになる。

 つまり、質量には非常に大きなエネルギーが詰まっており、実を言うと化学反応や核反応は質量がエネルギーに変換されることで熱が発生しているのである(熱を吸収する場合はエネルギーが質量となっている)。

 そのため、化学反応前後で質量に変化は起こらないと言われているが厳密には若干の変化が起こっており、この変化量こそがエネルギーとなっているのである。例えばメタン16 gを酸素64 gと反応させると二酸化炭素44 gと水36 gが生成するが厳密には反応後のほうが若干質量が小さくなっている。

 その理由は先ほども書いたようにエネルギーが発生しているからであり、この量のメタンと酸素を反応させると888 kJものエネルギーが発生する。そして、このエネルギーは当然しつりょから発生しているため、このエネルギーに相当する質量が減少していることとなる。

 では、その質量はどれぐらいかと言う9.88×10^-9 gとかなり小さく、この質量は反応する前のメタンと酸素の合計量(80 g)のわずか80.97億分の1程度であり、非常にわずかな質量がエネルギーになっていることが分かる。

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 このことより、化学反応前後では質量が微粒子レベルで変化しており、この質量はエネルギーとして放出している形となっている。

 そして、エネルギーは光速に比例するので光速が遅くなると化学反応や核反応で発生するエネルギー量が少なくなり、光速が半分になると化学反応で発生するエネルギー量は4分の1となり、反対に倍になると4倍のエネルギーが発生するようになる。

2.3 光速の制限への影響

 光速はいかなる時でも超えることは不可能であり、その理由は光速を超えようとすると制約がかかるからである。

 そして、今回は物体を加速される場合について考えていきたいと思う。物体を加速されるには力が必要であり、力を加え続けるといずれ光速を超えるようにも思えるが実は質量を有する物質は光速に近づくにつれて質量が大きくなっていき、質量が加速を邪魔するようになる。

 そのため、力を加え続けても光速に近づいたときには質量だけが増していく形となり、いつまでたっても光速にたどり着くことは無く、最終的に質量が無限大となるだけである。

 例えば質量が1 kgの物体は静止状態では1 kgであるが光速の10%に達すると質量が5 gほど増すようになり、光速の50%に達すると1.1547 kgにまで質量が増すようになる。

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 速度を光速に近づけるにつれて質量は増していき、同じ力をかけた時、加速度は質量が大きくなるほど小さくなるので最終的に光速を超えることは不可能となる。

 そのため、質量を有する物質も光速を超えることは不可能であるが質量が二倍になるとその限界値も二倍となるため、現実では不可能である秒速50万kmも可能となる。

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 上グラフは光速が二倍になった時の質量の上昇値であるが光速が二倍になると質量の上昇は抑えられるため、最終的に到達できる速度が二倍になる。そのため、光速が二倍になると限界値も二倍になるのでより速い速度での移動の実現が可能となる。

 反対に光速が今よりも遅い場合は当然低速度でも質量の上昇の影響を受けるため、速い速度での移動は困難となり、仮に光速が音速程度にまで遅くなると地球の自転速度は現在の速度よりかは確実に遅くなり、更に新幹線程度の速度でも質量の上昇が無視できなくなる。

 このように光速が変化すると質量を有する物質と有さない物質の両者に影響が発生し、更に化学反応で生じるエネルギーにも影響が出るようになる。

 以上、光速についてでした。