ものすごく速いことを「光のように速い」と表現する場合がありますよね。「1秒で地球を7周半」と言われるように、光の進むスピードは非常に速いことが知られています。
では、この世に「光より速いもの」はあるのでしょうか？
この記事では、光の速さとタキオン粒子、そして宇宙の膨張について簡単に解説します。アインシュタインの特殊相対性理論を含む現代物理学の基礎知識を手軽に学べる内容となっていますので、ぜひお楽しみください。
そもそも光速とは
まずは、光の速さについて確認しておきましょう。光速とは、1秒につき約30万キロメートル進める速さです。
現在では、長さの単位であるメートルの定義に光速が関わっています。アインシュタインの特殊相対性理論において、光速より速い物質はないとされていますし、光速は現代物理学の基礎と言えるでしょう。
光よりも速い？ タキオンとは
では、アインシュタインの理論に矛盾しかねない「光より速いもの」とはなんなのでしょうか？ それは「タキオン」という粒子です。
タキオンは光より速く動くものの、あくまで仮想上の物質。つまり、実際に存在を確認されたわけではありません。
タキオンの動きは光速より速いとはいえ、相対性理論には矛盾しません。その理由を、科学ジャーナリストのロバート・リー氏はこう説明しています。
The 1905 theory is based on two postulates, nothing with mass moves faster than the speed of light (c), and physical laws remain the same in all non-inertial reference frames. (...)
Feinberg posited that tachyonic particles would arise from a quantum field with “imaginary mass” explaining why the first populate of special relativity doesn’t restrain their velocity.
1905年の（特殊相対性）理論は、ふたつの前提に基づいています。質量をもつ物質は光速（c）より速く動かないことと、すべての非慣性基準系で物理法則は同じであることです。（略）
（タキオンを提唱した物理学者の）ファインバーグは、タキオン粒子が「虚数の質量」をもつ量子場から生じると仮定し、（タキオン粒子の）速度が特殊相対性理論における第一前提の制約を受けない理由を説明しました。
（引用元：Space｜Tachyons: Facts about these faster-than-light particles）
つまり、特殊相対性理論では「質量のある物質は光速より遅い」ものの、タキオンの質量は虚数であるため、光速より速くても矛盾しないというわけです。
宇宙は光以上の速さで広がっている？
光速といえば、宇宙の拡大が「光より速い」のはご存じですか？
宇宙はすさまじい速度で膨張しています。つまり、天体と天体との距離がどんどん遠ざかっているのです。
遠ざかるスピードが光速より速くなる場合もあります。では、天体の移動速度が光速を超え、特殊相対性理論に矛盾しているということなのでしょうか？
数学者・物理学者であるブライアン・グリーン教授（コロンビア大学）は、こう説明しています。
いかなる物体も光の速度を超えることはできないというアインシュタインの言明は、空間の「中で」動いている物体にしか当てはまらない。（略）
銀河が互いに遠ざかるのは、空間が膨張するからなのだ。銀河間の距離が大きければ大きいほど、両者のあいだには膨張する大きな空間が広がっているため、両者はより大きなスピードで相手から遠ざかる。アインシュタインの法則は、そのような後退速度には制限を課さないのだ。
（引用元：講談社｜光の速度を超えて遠ざかる銀河──これから宇宙で起こること 太字による強調は編集部が施した）
天体どうしの距離が開くとはいえ、天体自体が動いているわけではありません。そのため、「質量をもつ物質は光速より速く動かない」という特殊相対性理論の原則には矛盾しないのですね。
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光速と特殊相対性理論について、簡単にご紹介しました。物理学は難解だと思われがちですが、少しかじるだけでも楽しみが広がるのではないでしょうか。
この記事があなたの興味を刺激し、さらなる知識探求のきっかけとなることを願っています。
（参考）
Space｜Tachyons: Facts about these faster-than-light particles
講談社｜光の速度を超えて遠ざかる銀河──これから宇宙で起こること
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STUDY HACKER 編集部
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