光より速い移動がやってくる？心配しないで、専門家の言うことを聞いてください

相対性理論によれば、「あらゆる粒子の速度は光速よりも遅い」とされています。ここでの速度とは、具体的にはその時間と場所における粒子の測定によって得られた速度、つまり局所的な速度を指します。この速度の定義に等しくない限り、超光速は必ずしも相対性理論に違反するわけではありません。

——中国科学院理論物理学研究所准研究員 李 李

SF作品の主人公たちは、光速を超える速度で恒星間を移動するために、ワープドライブと呼ばれる道具を使うことが多い。スタートレックの架空の世界では、ワープドライブは超光速推進装置です。これに触発され、一般相対性理論に基づいて、物理学者ミゲル・アルクビエレは 1994 年に科学的な意味でのワープ ドライブの概念を提唱しました。

最近、国際的に有名な学術誌「European Physical Journal C」は、米国防高等研究計画局（DARPA）の物理学者ハロルド・ホワイト氏が率いるチームが現実世界でワープバブルを発見したと報じた。ホワイトのナノスケールワープバブルはワープエンジン製造への扉を開き、人類を超光速時代へと導くと期待されていると信じる人もいる。

この点について、中国科学院理論物理研究所の李立准研究員は2月中旬、ホワイト氏のチームが数値シミュレーションを行い、特定の微細構造の下では負のエネルギー密度分布が生じる可能性があると予測したと記者団に語った。これはアルクビエレ時空構造（ワープバブル）を維持するために必要な負のエネルギーと多少似ているという。しかし、それがワープバブルやワープエンジンと関連しているかどうかはまだ研究されていない。

負のエネルギーは光速を超える移動に不可欠である

理論物理学者のミチオ・カクは『インクレディブル・フィジックス』の中で、一般相対性理論によれば、超光速で移動するには空間を伸ばす方法と空間を歪める方法の2つがあると指摘した。前者の最も良い例はワープドライブであり、後者の最も良い例はワームホールです。

李麗氏は、ワープエンジン技術は宇宙船の外側に通常の時空の人工的な泡を作り出すもので、これをワープバブルと呼ぶと紹介した。ワープバブル付近の時空はひどく歪んでいます。宇宙船の前方の空間は圧縮され、後方の空間は引き伸ばされるため、宇宙船はワープバブルによって運び去られることになります。宇宙船から非常に遠くにいる人から見ると、宇宙船は光速よりも速く移動しているように見えるかもしれませんが、宇宙船内の乗組員は静止していると思います。 「川の流れに船が流されるのと同じように、泡全体が宇宙船とともに移動する」と彼は語った。

1994年にアルクビエレが提案した時空を歪めるという具体的なアイデアは、任意の「速度」で飛行する効果を実現できますが、この時空構造（ワープバブルを指す）を維持するには、負のエネルギーを持つエキゾチック物質が必要です。

「通常、物理学者はまず正のエネルギーを使って宇宙船を推進しますが、宇宙船は常に光速よりも遅く動きます。光速を超えるには、燃料を交換する必要があります。」ミチオ・カク氏はその本の中で、超光速移動においては負のエネルギーは代替不可能であり、負のエネルギーは存在するかもしれないと書いている。この点に関して、李麗氏は宇宙船を超光速で推進するためには、負のエネルギーを持つ物質を見つける必要があると説明した。自然界に負の物質を見つけようとする科学者の努力はこれまでのところ実を結んでおらず、その存在はまだ証明されていない。これはワームホールと同じ状況だ。

李麗氏は、現在知られている負のエネルギーに最も近いエネルギーは、近接した2枚の金属板間の引力を指す、いわゆるカシミール効果によって生成されると述べた。これは実際には量子効果であり、金属板間の領域のエネルギー密度が金属板の外側よりも低くなります。通常、金属板の外側の領域のエネルギー密度はゼロであると考えられるため、金属板間の領域は負のエネルギー密度を持ちます。リー・リー氏は、これがホワイト氏のチームが報告した負のエネルギー密度の原因でもあると述べた。

ワープバブルの超光速運動は相対性理論に違反しない

光の速度は限界速度であり、いかなる物体の速度も光の速度を超えることはできません。特殊相対性理論におけるこの概念は人々の心に深く根付いています。物体が光速に近い速度で移動すると、顕著な長さの収縮効果、時計の減速効果、質量の増加効果がもたらされます。

では、ワープバブルの超光速運動は相対性理論に違反するのでしょうか?

李麗氏は、ここでの「超光速」は見かけ上の超光速に過ぎず、相対性理論に違反するものではないと強調した。彼は、相対性理論によれば「あらゆる粒子の速度（速度の大きさ）は光速よりも遅い」必要があると説明した。ここでの速度とは、具体的にはその時間と場所において粒子を測定することで得られる速度（局所速度）を指します。この速度の定義に等しくない限り、超光速は必ずしも相対性理論に違反するわけではありません。

「相対性理論は物体の運動速度に制限を課すが、空間自体の膨張速度には制限を課さない。」李李氏は例を挙げ、現在の宇宙は加速的に膨張しており、2つの銀河が互いに遠ざかる速度は距離とともに増加すると述べた。十分に遠い銀河の場合、後退速度は光速よりも速くなりますが、これは銀河（銀河団）自体の動きによるものではなく、空間自体が膨張しているためです。現時点では、「超光速」は相対性理論に違反しません。

彼の見解では、ワープドライブの「超光速」運動も空間の膨張に起因すると考えられる。 「宇宙船自体はワープバブル内ではワープバブルに対して動かないので、相対性理論で提案されている質量増加効果と時間遅延効果（時計の遅れ効果）は回避されます。同時に、ワープバブル付近の時空はひどく歪んでおり、ワープバブル全体とバブル内の宇宙船を前進させます。」李李は言った。

光より速い移動は理論的には不可能である

1905年、アインシュタインは『運動物体の力学について』を出版し、特殊相対性理論を確立しました。特殊相対性理論は、光速度不変の原理と特殊相対性原理という 2 つの基本原理に基づいています。さらに重要なことは、アインシュタインが時間と空間を「時空」全体に統合したことです。

李李は、特殊相対性理論では、2 つの出来事は 1 つの参照フレームの観点からは同時であるが、相対運動の別の参照フレームの観点からは同時ではないと紹介しました。 「ニュートンの空間と時間に関する絶対的な見解が崩れたことで、多くの異常な現象が引き起こされている。最も典型的な3つの効果は、長さの収縮効果、時計の遅れ効果、質量増加効果だ」と同氏は指摘した。

最も重要な点は「同時性」の相対性です。たとえば、定規の長さを測るには、定規の両端の座標を同時に測定し、その差に基づいて定規の長さを計算する必要があります。これは定規が静止している場合は簡単に行えますが、定規が動いている場合は複雑になります。同時性は相対的なものなので、移動する参照フレームでの同時測定は、静止したフレームでの同時測定とは異なります。このサイズ収縮効果は、弾性などの物理的なメカニズムによって引き起こされるのではなく、純粋に運動学的な効果です。物理的な定規は 1 つだけですが、慣性系が異なれば「同時平面」も異なるため、測定される長さも異なります。同じ運動学的効果は時計の遅れ効果です。つまり、動いている物体の場合、静止した観測者の時計で測定するとその変化が遅くなります。長さの収縮効果では、実際には何も縮みません。また、時計の減速効果では、時計の速度は実際には遅くなりません。

より具体的には、長さの収縮と時計の膨張の両方の効果は、ローレンツ変化の下で物理法則の形が変わらない（ローレンツ共変性）という特殊相対性理論の要件から生じ、質量増加効果もこの状況の直接的な結果です。

李麗は、運動する物体の速度が光速に近づく極端な場合には、スケールの収縮率が無限大になり、時計が止まったように見えるだろうと述べた。さらに、物体の質量（エネルギー）も光速に近づくと発散する傾向があります。これは、物体が光速に達するには無限のエネルギーが必要であることを意味します。このことから、光の速度は限界速度であり、物体は光の速度より速く移動できないことがわかります。速度が光速よりもはるかに小さい場合、相対論的効果は反映されません。ニュートン力学は、低速条件下では特殊相対性理論の良い近似として機能します。

「特殊相対性理論におけるこれらの効果は、多数の実験によって検証されています。私たちが日常生活でよく使用する衛星ナビゲーションシステムでさえ、時計の遅れ効果の影響を考慮する必要があります。」李麗氏は、特殊相対性理論と量子力学を組み合わせた量子場理論は、素粒子の記述に大きな成功を収め、電磁力、強い力、弱い力という3つの基本的な相互作用を統一的に記述する粒子物理学の標準モデルを確立したと付け加えた。驚くべきことに、相対性は化学においても非常に重要です。重元素の原子の内殻電子の平均速度は光速の 3 分の 2 にも達することがあるため、相対論的効果を考慮する必要があります。これが、私たちが日常生活で目にする金の輝く黄金色と水銀の低い融点につながります。

仮説的な超光速理論であるため、その存在を証明する証拠はない。

一般相対性理論も量子場理論も、局所的な速度が光速を超えることを許しません。観測により局所的な速度が光速を超えていることが明らかになれば、基礎物理学に大きな課題が投げかけられることになるだろう。

2011年、イタリアのグラン・サッソ国立研究所のOPERA実験チームの研究者らが実験中に「ニュートリノ超光速」現象を発見し、大きなセンセーションを巻き起こした。しかし、最終的に、これは実験設定の問題によって生じた誤った結果であることが判明しました。

さまざまな動機に基づいて、いくつかの超光速理論も提案されています。タキオンは、常に超光速で移動する、理論上仮説上の超光速粒子です。理論上は、タキオンで構成された宇宙が存在する可能性はあるが、その存在を直接的または間接的に証明する証拠はこれまで見つかっていない。さらに、高次微分補正や二重計量理論を備えたいくつかの重力理論など、超光速伝播現象も持つ修正重力理論もいくつかあります。

「客観的に言えば、これらの理論はいずれも多かれ少なかれ何らかの問題を抱えており、超光速の信頼できる実験的証拠は今のところ見つかっていない。しかし、科学の発展は、偏見を持たないことが必要であることを示している」と李麗氏は語った。

出典：科技日報

科技日報記者 唐芳

原題: 現実世界でワープバブルが発見される?心配しないでください。光速を超える旅はまだ早いのです