孫悟空は如来の掌から抜け出すことができませんでしたが、実はこれには物理的な理由があるのです。

キョクアジサシはおそらく世界で最も光を好む動物でしょう。孵化したその日から、ずっと太陽を追いかけます。北半球の夏の間、彼らは北極海沿岸に来てツンドラで繁殖します。南半球の夏の間、彼らは南極周辺地域に行き、南極海で魚やエビを捕まえます。

キョクアジサシの渡りのルートは曲がりくねっています。平均すると、毎年往復で約71,000キロメートル移動します。 30年以上の長い寿命の間に、総移動距離は地球から月まで3往復に相当します。

キョクアジサシ。画像元: pixabay.com

小さな鳥にとって、この功績は数地質時代にわたって自慢できるほどのものである。では、もし人間に、既知の物理的枠組みの中で、手段に制限なく行動する時間が 30 年与えられたとしたら、私たちはどれくらい遠くまで飛ぶことができるでしょうか?

彼らは文字通り30年間飛行したのです！

人類が太陽系外に送った最初の探査機はパイオニア10号でした。打ち上げ30周年（2002年3月）までに、地球から120億キロメートルの距離まで飛行しました。

しかし、1977年に打ち上げられたボイジャー1号は、飛行21年目に104億キロメートルを飛行してパイオニア10号を追い抜き、最も遠くまで飛行した人工物となった。 30年目（2007年）までに、ボイジャー1号は155億キロメートルに到達し、太陽圏を横断していました。現在、ボイジャー1号は太陽圏を飛び出し、地球から240億キロ離れた恒星間空間を航行しています。

2007 年に太陽圏を旅する 2 人の旅行者。画像提供: NASA

155億キロメートルは、キョクアジサシが地球と月を3往復する距離より明らかにはるかに速いが、単に距離を掛け合わせて速度を競うのは退屈すぎるようだ。もう少し大胆に考えてみましょう。もっと遠くまで飛ぶ方法はあるのでしょうか?

速度が光に近い限り、短い命でもより遠くまで走ることができる

微細粒子の奇妙な挙動は、私たちの思考を刺激するかもしれません。地上15キロメートルの高度では、宇宙線中の高エネルギー陽子が地球の大気圏に衝突し、ミューオンとニュートリノを生成します。

ミューオンの寿命は非常に短く、約 2.2 マイクロ秒で崩壊します。論理的に言えば、たとえ光速（毎秒2億9979万2458メートル）で急降下したとしても、660メートルしか飛べず、地面に到達することはできません。しかし、興味深いことが起こった。海面レベルや地下鉱山でも多くのミューオンが検出され、その移動距離は当初の予測の23倍以上だったのだ。

何が起こっているのか？結局、秘密裏に役立っていたのは特殊相対性理論だったことが判明しました。地球から見ると、ほぼ光速で移動するミューオンの時間経過は大幅に遅くなるだろう。その速度が光速と 9 万分の 1 未満しか違わない限り、時間の経過は 23 倍以上遅くなります。私たちとミューオンがそれぞれストップウォッチを持っていると、ミューオンが地面に着いたときには、私たちのストップウォッチは 52 マイクロ秒に達しているのに、ミューオンのストップウォッチはまだ 2.2 マイクロ秒に達していないことがわかります (「生命は動きの中にある」というのは正しいようです...)

しかし、ミューオンの視点から見ると、時間が遅くなったようには感じません。通常、2.2 マイクロ秒で消滅し、他の粒子に崩壊しますが、私たちの手にあるストップウォッチは遅いものです。その「目」には、ほぼ光速で自分に向かって突進してくる地球が、半径方向に 23 倍以上圧縮されて「パンケーキ」になるという光景が映っている (地球が本来どのような形をしているのかを宇宙が知っていればの話だが)。通過しなければならない大気は 660 メートルよりも薄く、さらに少し進んで地下鉱山を掘削することもできます。

時間遅延または長さ圧縮の倍数を表すオプションの式がありますが、これは純粋に好奇心旺盛な読者が次のデータを検証するためのものです。

ここで、v は物体の速度、c は真空中の光の速度です。

ミューオンが地面に到達する現象は特殊相対性理論の古典的な証明である。地球から見ると、ミューオンが 15 キロメートルを移動するのに 52 マイクロ秒かかることに注意してください。ミューオンの視点から見ると、660メートルを移動するのに2.2マイクロ秒かかります。それぞれの基準フレームでは、ミューオンは光速よりも速く移動しません。しかし、これらを混同すると、間違った（しかし興味深い）結論に至ります。ミューオンは 2.2 マイクロ秒で 15 キロメートルを移動したことになります。これは光速の 23 倍です。

一生懸命努力して奇跡を起こせば天の川を渡れる？

このような考え方に沿って考えてみると、私たちは大胆なアイデアを思いつきました。もし（どんな手段であれ）光速に極めて近い速度まで加速すれば、本来直径が20万光年ある天の川を30年以内に横断できるでしょうか？

この時間遅延または長さの圧縮は 6667 倍、つまり 7000 倍です。先ほど使用した式を使用すると、光速の 1 億分の 1 以内に近づけば、天の川銀河を放射状に 7,000 回平らにすることができ、30 年で横断できるようになります。

もちろん、私たちの故郷の惑星に残っている子孫の世代から見れば、私たちは正直に光速に近い速度で移動し、その任務を完了するのに 20 万年かかりましたが、私たちのすべての動きは信じられないほど遅く、瞬き一つにも 1 時間かかっていました。

この速度に達するにはどれだけのエネルギーが必要ですか?宇宙船が非常に軽く、私たちを含めてわずか 1 トン（30 年間の旅で餓死しないように非伝統的な食料を搭載）であると仮定すると、最終的な運動エネルギーは E=mc² の 7000 倍となり、6300 兆ジュールに相当します。この数字は実のところそれほど大きくはありません。それは太陽が 600 分の 1 秒間に生み出すエネルギーにすぎません。それは恐竜を絶滅させた小惑星の衝突よりもわずかに強力です。たぶんまだ生産できるでしょう。

では、もっと頑張って、30年以内に宇宙の果てまで飛んで行って見てみましょうか？ビッグバン以来、信号が私たちに届くまでの時間があった宇宙の部分（いわゆる「観測可能な宇宙」）は、半径 465 億光年まで拡大しており、現在も拡大し続けています。もしそれを止めて30年以内にそこまで飛行することができれば、宇宙船を光速のわずか500兆分の1まで加速しなければなりません。必要なエネルギーは 14 兆兆ジュールで、これは太陽が 6 分間に生み出すエネルギーのすべて、つまり地球誕生以来稼働している三峡ダム 72 基に相当します。

上記の計算を読むと、一生懸命努力すれば奇跡は起こり得るという幻想を抱くかもしれません。実際、より大きな問題は、私たちが知っているシステムでは、宇宙の膨張は止められず、依然として加速し続けていることです。私たちから遠ざかるほど、銀河はより速く遠ざかり、光速を超えることさえあります（宇宙の膨張は相対性理論に反しません） 。たとえ私たちが光線になって今すぐに出発したとしても、現在約 150 億光年離れた (そして光速で遠ざかっている) 銀河に徐々に近づくことはできますが、465 億光年離れた銀河に到達することは決してできません。

そういえば、西遊記の孫悟空と如来の賭博ゲームを思い出しました。孫悟空は10万8千マイル宙返りしましたが、それでも如来の手のひらから抜け出すことができませんでした。その理由は、如来が宇宙の拡張を開始したためかもしれません...

孫悟空は宇宙の膨張に遭遇する。テレビシリーズ「西遊記」のスクリーンショット

企画・制作

著者: ク・ジオン ポピュラーサイエンスライター

レビュー丨北京天文館研究員劉曦

編集者: ディン・ゾン