将来、1秒間に1光年を飛行できる宇宙船があったら、宇宙の外へ飛び出すことができるでしょうか?

この記事はネットユーザーからの奇妙な質問に答えることに基づいています。楽しいし、想像力を刺激できると思うので、お話しします。元の質問のスクリーンショットを参照してください:

まず、1 光年の起源と、1 光年が 1 秒間にどれくらいの速さで進むのかについてお話ししましょう。

光年は科学界によって定められた宇宙の大規模な距離の単位で、1年間の光の速度に相当します。光の速度は真空中の光の速度 c = 299792458 m/s (メートル毎秒) を指します。このような大規模なスケールではそれほどの精度は必要ないため、通常は秒速 30 万キロメートルで測定されます。

では、1光年はどれくらいの長さでしょうか?まず、1 年に何秒あるかを決定する必要があります。人間が定めた年は地球が太陽の周りを一周するのにかかる時間ですが、この時間を計算する方法は2つあります。

1つは恒星年で、太陽と特定の星が同じ位置にあることを出発点として、地球が太陽の周りを公転し、地球から観測したのと同じ位置に戻るまでの時間間隔です。恒星年は厳密には正確ではありません。春分点の歳差運動により、星の赤経と赤緯が変化するためです。恒星年は現在、J2000.0 紀元に基づいて、平均太陽日数 365.25636、つまり 365 日、6 時間、9 分、10 秒です。

1 つは太陽年で、これは太陽が春分点を 2 回連続して通過する時間間隔を指します。つまり、地球の軌道上の黄道に沿って仮想の春分点が存在します。一周してその地点に戻るのにかかる時間は、太陽年とも呼ばれます。永久カレンダーを作成する際に、事前に太陽年を計算します。そのため、太陽年と太陽年の間の時間間隔は正確に同じではなく、1 世紀にわたる平均値が採用されます。この世紀の長さは365.242199174日、つまり365日と5時間48分46秒です。

では、光年はどのように計算されるのでしょうか?これら 2 種類の年の間の時間間隔は異なり、時間は各年の異なる期間で変化します。 1光年のスケールをどうやって測定するのでしょうか?正確な定量化を行うために、科学界は天文学専用のユリウス年を開発し、1 天文学上のユリウス年は 365.25 日と規定し、1 年は 365.25 日 * 24 時間 * 3600 秒 = 31557600 秒と決定されました。

このように、光年には正確な尺度があります: 1 光年 (記号 ly) = 299792458 メートル * 31557600 秒 = 9460730472580800 メートル。大規模な測定では、一般的に 1 光年 ≒ 9.46 兆キロメートルが使用されます。

1秒間に1光年の距離を移動するとすると、1秒間に9兆4600億キロメートル移動することになり、これは光速の31,557,600倍に相当します。

宇宙の大きさについて話しましょう。

アインシュタインの相対性理論が発表されて以来、古代から続いてきた空間と時間の絶対的な見方に代わって、空間と時間の相対的な見方が広まり始めました。ハッブルはビッグバン理論を支持する宇宙膨張の法則も発見した。それ以来、ビッグバン理論は科学界における標準的な宇宙論となり、約138億年前に特異点の爆発から宇宙が膨張したとされる。

これは、ガリレオやニュートンの時代に近代科学が誕生した後も数千年にわたって信じられてきた絶対的な宇宙観を完全に覆すものでした。この宇宙論では、宇宙には始まりも終わりも境界もなく、時間と空間は固定され不変であると考えられています。現代の宇宙論では、時間と空間は相対的で変化しており、宇宙には始まりと終わりがあり、境界はあるが限界はないと考えられています。

では宇宙はどれくらい大きいのでしょうか?あるいはどんな形ですか?科学界は今のところ推測しているだけで、標準的な答えはありません。より統一された見解は、宇宙は特異点から爆発し、インフレーションと急速な膨張段階を経て、現在も大規模に超光速で膨張し続けているというものです。観測可能な宇宙の半径は約465億光年と計算されています。

これは単なる観測可能な宇宙です。光の速度などの物理法則により、人間の観測能力の上限は決まっており、このくらいの広さの空間しか観測できません。ハッブルの法則によれば、宇宙の膨張は等方性であり、遠くなるほど膨張速度が速くなります。つまり、どの方向から見ても同じように見え、膨張速度は距離に比例し、遠ければ遠いほど速くなります。

したがって、地球上に立って周囲を見回すと、観測できる最も遠いところは 465 億光年先になります。

しかし、宇宙には観測できない範囲が 2 つあり、1 つは過去の地平線、もう 1 つは未来の地平線と呼ばれます。過去の地平線とは、ビッグバン後の 38 万年の期間を指します。宇宙の温度と密度が高すぎたため、光さえも放射できませんでした。この期間中、宇宙は急速な膨張を経験し、膨張速度は非常に速かった。しかし、電磁波のオーバーフローがないため、現在、人類はこの宇宙を観測することができません。

現在、将来的には重力波を利用して、この「暗黒」時代の宇宙の状態を理解することが可能になるかもしれないという理論があります。

未来の地平線は、私たち人間の観察能力の限界にあります。銀河は光速の数倍の速度で私たちから遠ざかっており、人間の観測範囲外にあります。したがって、人間は観測可能な宇宙の外の宇宙がどれほど大きいのか、そこで何が起こっているのかを決して知ることはできない。したがって、人類は宇宙がどれほど大きいかを決して知ることはできないかもしれない。

科学界は長年にわたる宇宙観測の結果、観測可能な宇宙にはおよそ数兆から10兆個の銀河が存在すると考えています。私たちの天の川銀河もそのうちの一つに過ぎず、太陽系も天の川銀河にある約 4000 億個の恒星のうちの 1 つに過ぎません。

太陽系は太陽を中心とする惑星系です。太陽の質量は全系質量の99.86%を占め、地球の質量の33万倍に相当します。太陽系には、8 つの主要な惑星と数百の衛星、いくつかの準惑星、無数の小惑星や彗星などがあります。太陽の重力半径は約 1 光年です。この小さな1光年を過小評価しないでください。現在、人類が飛行した最も遠い無人探査機であるボイジャー1号は、秒速17キロメートルの速度で太陽系から飛び出している。この1光年の半径から飛び出すには17,000年以上かかります。

では、1 秒あたり 1 光年の速度で宇宙から飛び出すことはできるのでしょうか?

答えは明確です。「いいえ」です。

簡単な計算ができます。毎秒1光年の速度で飛行した場合、観測可能な宇宙の半径465億光年の端に到達するには、1億9657万5521年、つまり約2億年かかります。しかし、観測可能な宇宙から飛び出してしまうと、宇宙船を中心に新たな観測可能な宇宙が形成され、飛行には2億年近くかかることになります。この先に観測可能な宇宙はいくつあるのでしょうか？

宇宙の時空の曲率では、光も曲げられ、この曲率の周りを周回します。そのため、宇宙船は直線的に動いているように見えますが、実際は地球の表面を歩いているのと同じように曲線を描きながら円を描きながら動いており、曲がることなく一方向に進み、最終的に地球を一周した後、出発点に戻ってきます。

科学界には、宇宙の曲率のため、無限を見通せる望遠鏡があって、宇宙の前方を見ると、やがて自分の背中が見えるようになるという格言があります。つまり、光は円を描いて一周し、出発点に戻ります。

もちろん、もし人々が本当に光速の宇宙船で旅していたら、まるで一瞬で宇宙を旅したかのように、時間の経過を感じることはできないでしょう。これは、アインシュタインの時間の遅れの理論と、空間と時間の相対性の本質を説明したものです。速度時間の遅れ率は次の式に従います: t'=t/√[1-(v/c) ^2]

式中、t' は速度時間の遅れ効果の値です。 tは低速観測者の最初のクロックによって記録された時間です。 v は最初のクロックに対する 2 番目のクロックの速度です。 c は光の速度です。

この公式によれば、宇宙船でより速く移動するほど、時間の流れは遅くなります。速度が光速に達すると、時間は止まります。距離は長さの収縮効果ももたらします。速度が速いほど、距離は短くなります。速度が光速に達すると、距離はゼロになります。

この説明を信じない人もいるかもしれませんが、速度による時間の遅れと重力による時間の遅れという 2 つの予測、つまり理論は、存在することがずっと以前から証明されています。現代の航空宇宙、そして日常生活における測位やナビゲーションは、これら 2 つの時間の遅れの要因を考慮に入れ、相対性理論に従って調整しなければ不可能になります。

しかし、アインシュタインの特殊相対性理論は物質の運動速度を制限します。静止質量を持つ物体は光速に達することはできず、ましてや光速を超えることはできません。したがって、宇宙船が光速に到達することは不可能であり、ましてや光速を超えることは不可能である。

しかし、光速を超える速度で目的地に到達できる恒星間旅行を理論的に裏付ける根拠が 2 つあります。これらはワームホール移動またはワープ速度移動です。これら 2 つの移動方法はまだ理論上の空想の段階ですが、一部の科学者を含む多くの人々は、最終的には実現できると信じています。

これら 2 つの方法は、光速よりも何倍も速く目的地に到達できる可能性がありますが、実際にはどちらの方法でも宇宙船は光速を超える速度に到達できません。むしろ、それらは私たちの日常生活における「近道」や、魔法の技術を使って旅をもっと短く、もっと短くする伝説の「地球を縮小する」方法に似ています。たとえば、100 光年の距離はほんの数秒になり、1 歩で移動できるようになります。

こうすることで、時間の遅れ効果がなくなり、人々は時間が通常の速度に近いほど速く経過していると感じるようになります。したがって、このような恒星間旅行が本当に実現したとしても、人間の寿命は 1 億年、あるいは数十億年も生き延びることができるのでしょうか?

さらに重要なのは、宇宙は巨大な時空曲率の中にあるということです。理論的には、宇宙の外には空間が存在しないため、すべての物体が宇宙の境界を突破することはできません。これは、宇宙は境界があるようで、境界がない、と呼ばれるものです。

具体的には、宇宙そのものは物質と時間と空間と同義です。物質、時間、空間は三位一体であり、独立して存在することはできません。宇宙の継続的な膨張により、空間と時間は常に拡大しています。まだ膨張していない宇宙の外には、時間も空間も物質も存在しません。この何もない場所で、宇宙船はどこを飛べるのでしょうか?これはそれ自体がパラドックスです。

したがって、宇宙船がどれだけ速くても、宇宙から飛び出すことはできません。どう思いますか？議論へようこそ。読んでいただきありがとうございます。

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