宇宙への旅人

光の速度より速い物体が存在する可能性――超光速の視点から特殊相対性理論を拡張



超光速の視点から特殊相対性理論を拡張し、量子力学の基本原理を取り入れることが可能になるという理論の研究が発表された。超光速の世界は、3つの時間次元と1つの空間次元からなる時空で説明され、さらには超光速の物体が本当に存在する可能性もあるとしている。この研究は、ポーランドのワルシャワ大学と英オックスフォード大学によるもので、2022年12月30日付で『Classical and Quantum Gravity』に掲載された。

1905年に発表された特殊相対性理論によって、3次元空間に時間が4つ目の次元として加わり、これまで別々に扱われてきた時間と空間の概念がまとめて扱われるようになった。特殊相対性理論は、ガリレオの相対性原理と光速の不変性という2つの仮定に基づいている。

この2つのうち重要なのはガリレオの相対性原理だ。この原理では、全ての慣性系において物理法則は同じであり、全ての慣性観測者は同等であると仮定する。通常、この原理は光速よりも遅い速度で、相対的に移動している観測者に適用される。しかし、今回の研究論文の筆頭著者であるワルシャワ大学物理学部のAndrzej Dragan教授は、光速以上の速度で記述された物理系に関連して相対運動している観測者が、この原理に従わない理由は根本的にはないと主張している。

そこで、超光速の座標系から世界を観測できると理論的に仮定すると、量子力学の基本原理を特殊相対性理論に取り入れることができる可能性がある。この仮説は、Dragan教授とオックスフォード大学のArtur Ekert非常勤教授が2020年に発表したものだ。この仮説では、1つの空間次元と1つの時間次元という2つの次元から成る時空における、両方の観測者群が存在する単純化された事例について論じていた。

今回の研究では、さらに一歩進んで、完全な4次元の時空についての結論を提示した。我々の物理的現実に対応する時空の概念は、3つの空間次元と1つの時間次元というものだが、それに対し、超光速の世界は3つの時間次元と1つの空間次元で説明される。超光速の観測者から見ると、この世界の1次元だけが空間的な特徴を保っており、この1次元に沿って粒子が移動できる。そして、粒子は3つの時間のそれぞれで、独立して「年を取る」。しかし、私たちの視点からは、それは空間のあらゆる方向に同時に運動しているように見える。つまり、粒子に関連する量子力学的な球面波が伝播しているのだ。

このように、超光速の観測者を導入すると、世界は非決定論的になり、粒子は量子的な重ね合わせの原理に従って、一度に多くの軌道を移動し始める。超光速の観測者にとって、古典的なニュートン学説の点状粒子は意味をなさなくなり、「場」が物理世界を記述するために使用できる唯一の量になる。つまり、場の理論の枠組みで記述しなくてはならなくなる。

このような記述には速度と運動学の新しい定義を作る必要があるが、新しい定義は、超光速の観測者にとっても、真空中の光速は一定であるというアインシュタインの仮定を維持するものであるとしている。

では、超光速の観測者にとって正常な粒子、つまり我々にとって超光速で運動する粒子を我々が検出することはできるのだろうか。研究チームによれば、このような新しい基本粒子を実験で発見することは簡単ではなくノーベル賞に値する偉業であるが、最新の実験技術を用いた大規模な研究チームであれば実現可能だという

2023-2-10
fabcrossより

極限状態でも破綻しなかったアインシュタインの一般相対性理論


毎秒25回転という高速で自転している大質量のパルサー（中性子星、右）と、その周囲を2時間半に1回の速度で軌道運動している白色矮星（左）の想像図（2013年4月25日公表）。ESO提供

物理学者アルバート・アインシュタイン（Albert Einstein）が1915年に発表した一般相対性理論は、約7000光年のかなたでの観測史上最も厳しい極限状態での検証にも耐えたとする論文が、２０１３年４月25日の米科学誌サイエンス（Science）に発表されました。

　論文の主著者で、マックス・プランク電波天文学研究所（Max Planck Institute for Radio Astronomy）の博士課程学生、ジョン・アントニアディス（John Antoniadis）氏を中心として行われた今回のプロジェクトでは、パルサー（中性子星）と呼ばれる高速で自転している大質量星とその伴星の白色矮星が、目が回るような速度で軌道運動をしている様子が観測されました。白色矮星は、比較的小型で非常に高密度の星で、外層部の大部分を失って一生を終えつつある星です。

「PSR J0348+0432」と名付けられたこの連星系では、パルサーが毎秒25回転で自転しており、その周りを白色矮星が2時間半に1回の速度で軌道運動しています。

Artist’s impression of the pulsar PSR J0348+0432 and its white dwarf companion



　こうした異様な相互作用によって、果たして一般相対性理論の限界が浮き彫りになるのでしょうか。一般相対性理論では、重力は時空の実体であり、内部にあるものによってゆがむものと説明されています。

　一般相対性理論では、重力によって光の進路さえもが曲げられると予測されています。天文学者らは、この光を望遠鏡で観測することで、これを検証できます。今回の観測には、チリにある欧州南天天文台（European Southern Observatory、ESO）の大型望遠鏡VLT（Very Large Telescope）が使用されました。

　アントニアディス氏は「この連星系をESOのVLTで観測し、パルサーの周りを回ることによって生じる白色矮星の光の変化を検出した」と話しています。「その場で簡単な解析を行ったところ、このパルサーは極めて重量級の星であることが分かった。質量は太陽の2倍で、現在知られている中で最も重い中性子星であり、基礎物理の実験室として絶好の星だった」

　科学者らは、すでに量子物理学と矛盾しているアインシュタインの一般相対性理論が、極限状態のある時点でもはや成立しなくなるのではないかとみていますが、今回のアントニアディス氏らの観測では、重力放射の量を一般相対性理論が正確に予測していたことが明らかになりました。

　同研究所のパウロ・フレイレ（Paulo Freire）氏は「この連星系は、一般相対性理論の破綻が見られるほどの極限状態になっているかもしれないとみていたが、アインシュタインの予測はその検証にもまったく問題なく耐え抜いた」と述べています。

2013年04月26日
AFPより

地上の原子時計で相対性理論を確認

　階段を高い位置まで登ると、階段下の人に比べてわずかに老化が早まる。



　アインシュタインの相対性理論が主張する時間の歪みの効果が、初めて地上で確認されました。

詳しくは、、、

映像で理解できる相対性理論（アインシュタイン）

アルベルト・アインシュタイン（Albert Einstein 、1879年3月14日 - 1955年4月18日）は、ドイツ生まれのユダヤ人理論物理学者。


アルベルト・アインシュタインは物質とエネルギーの関係はお互いに入れ替わる事が可能である事を
E=mc²の式で示した。

　　　　　　　E=mc²
エネルギー(E) = 質量(m)×光速度(c)の 2乗

全ての物質はｍ(質量）にｃ（光速）の2乗を掛け合わせた数と等しい膨大なエネルギーに変換できる事を意味します。
１．広島型原爆が質量のほんの１％をエネルギーにしたにすぎないことを考えると、物質の潜在エネルギーの大きさは想像を絶するものです。
２．物質は高速で飛行するほどに質量を増し、光の速度では質量が無限大になる。
つまり、質量のある物体は、どんな軽いものでも光速に達する事は不可能である。
光子やグラビトン（重力を伝える素粒子）は質量がなく、光速で移動出来る。

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E = m c2：エネルギーと質量の等価を示すアインシュタインの関係式。特殊相対性理論、E=mc²を参照。
E = h ν, p = h ν / c：光量子に関するアインシュタインの関係式。
Δ E = h ν − W：光電効果に関するアインシュタインの関係式。
ブラウン運動に関するアインシュタインの関係式。
物性論におけるアインシュタインの関係式。
一般相対性理論のアインシュタイン方程式（重力場の方程式）。

特殊相対性理論は、アルベルト・アインシュタインが1905年に発表した物理学の理論である。光速度不変の原理「真空中の光の速さは、光源の運動状態に影響されない一定値ｃである。」と、特殊相対性原理「お互いに等速度で運動しているすべての慣性系において、すべての基本的物理法則は、まったく同じ形で表される。それらの慣性系のなかから、なにか特別なものを選び出すことはできない。」の二つを指導原理とする理論である。ニュートン力学で仮定されていなかった光速度不変の原理を導入する妥当性については本節で述べる。特殊相対論または特殊相対性原理とも呼ばれる。

この理論を提唱した最初の論文は Zur Elektrodynamik bewegter Körper （動いている物体の電気力学）で、1905年にドイツの学術誌・Annalen der Physik 第17巻 pp.891～921 に掲載された。特殊相対性理論自体は、これを含めた数編の論文からなる。この理論を「特殊」と呼ぶのは、相対性理論で慣性系にのみ言及していることによる。また、発表から10年後にアインシュタインは、一般座標系を含む理論である「一般相対性理論」を発表した。

E=mc²は、アルベルト・アインシュタインが特殊相対性理論の帰結として発表した有名な関係式。質量とエネルギーの等価性とも言われる。質量が消失するならばそれに対応するエネルギーが発生する（エネルギーが発生する時にはそれに対応する質量が消失する）ことを示す。


一般相対性理論は、一般相対論ともいい、アルベルト・アインシュタインが、1905年の特殊相対性理論に続いて1915年～1916年に発表した物理学の理論。ニュートン力学と比較すると、運動の速度が速い場合や、重力が大きい場合の現象を正しく記述できる。


質量（地球）が空間の幾何学をゆがめている様子を2次元に落とし込んで描いたところ 歪んだ幾何学自体が重力と解釈できる

写真と記事はWikipediaより