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2011年09月26日

ニュートリノが速すぎて相対性理論が破綻しちゃうかもしれない

<ニュートリノ>「衝撃的な結果」名大准教授ら講演 (毎日新聞) - Yahoo!ニュース  


ぼくは最近めっきりテレビを見ないのでわかんないけど、ネット上とかではこのニュースが結構騒がれています。 

ぼくは理論物理学なんて完全なるド素人だけど、そんなぼくでも、このニュースを知ったときは絶対誤差だろ!と脊髄反射で思ってしまう(思いたくなる)くらい衝撃的なビッグニュースでした。 

なぜなら、アインシュタインの相対性理論が根底から覆されるからです。 

もし、アインシュタイン先生がご存命であったら、確実にアインシュタイン先生はマスコミにもみくちゃにされていたことでしょう。 


ということで今日は、なんでニュートリノが光の速さより速いと相対性理論が破綻して、もしかしたらタイムマシンも可能になるかもなんていうお話になるのか、ざっくり解説してみたいと思います。今日は月曜日だしね♪ 

さて、そもそもニュートリノというは、電子とかクォークとかの素粒子のひとつで、質量があるのかどうかすらも分からないくらいめちゃくちゃ小さい物質のことです。 

このニュートリノはめちゃくちゃ小さいうえに、リアクションがとても薄いので観測がとても難しいのです。 

大量の水を入れた地下施設で、水と反応したニュートリノを超高感度センサーで観測するのがスーパーカミオカンデなのです。 


そして、そんな必死の観測によって、ニュートリノには”質量がある”ことが証明されました。 


この”質量がある”というのはとても重要なポイントなんだけど、とりあえずそれは置いておいて次の相対論のお話に進みましょう。 



相対性理論というのは、特殊相対性理論と一般相対性理論の2つあって、この2つの違いをとてもざっくりにいうと、特殊相対性理論を重力(万有引力)にも応用したのが一般相対性理論と理解しておけばとりあえずOKです。 

特殊相対性理論は三平方の定理を知っていれば中学生でもエッセンスは理解できるくらい、シンプルで美しい理論だけど、一般相対性理論の方は女心の次に理解するのが難しいので、特殊相対性理論(以下、相対論)について説明させていただきます。 



この相対論の結論だけをいうと、時間が遅れたり、空間が縮んだり、光の速さに近づけば近づくほど重たくなったり、時空が歪むという常識では考えられないような奇妙な結果になります。 



これまでの古典力学(ニュートン力学)では時間と空間は絶対で、いつでも1秒は1秒だし、どこでも1mは1mなのです。 



しかし、相対性原理と光速度不変の原理という2つの公理(証明する必要のない前提のこと)を前提とすると話は変わってきます。 


相対性原理というのは、等速直線運動(おんなじスピードでまっすぐ動く運動のこと)をしているもの同士はどっちが動いているか区別できないというものです。 


時速50kmで等速直線運動をしている電車を見ても、ぼくたちにはそれが動いているのか、それともぼくたちが動いているのか区別することはできないのです。 

そんなバカなと思うかもしれないけど、これが地球上ではなく周りに何もない宇宙空間だったら、電車が動いてるのか自分が動いてるのかは区別できないということが理解できると思います。 

そういえば以前、女子高生が電車の中で「なんで電車は動いてるのにジャンプしても後ろに行かないんだろう?」って話してたけど、慣性系(等速直線運動しているところ)では静止しているのと同じだからなんだよね。 


次に光速度不変の原理だけど、これは光はどこから見ても秒速30万kmというものです。 

例えば、時速50kmの電車から時速150kmのボールを投げたら時速200kmになるけど、秒速20万kmで動く電車から光(秒速30万km)を放つと、秒速50万kmではなく秒速30万kmのままなのです。 

ニュートン力学では時間と空間は絶対なので、秒速20万kmで動く電車から放たれた光の速度は秒速10万kmにならなければいけません。 



しかし、相対性原理と光速度不変の原理が正しいとすれば、時間と空間の方を縮めなければならないのです。 



これが時間と空間が縮む理由です。 


ちなみにどれくらい時空が縮むかは三平方の定理で簡単に導き出せるよ♪ 



ここから導きだされた結論をエネルギー保存の法則と運動量保存の法則に当てはめると、アインシュタインの最も有名な式 


E=mc^2 


を導くことができます。(Eはエネルギー、mは質量、cは光の速さのこと) 



さて、ニュートリノには”質量があり”ますが、E=mc^2の式が意味するのは、ある物体を加速して光の速さに近づけると、エネルギーを加えた分だけ質量に変換されてしまうので、光の速さには決して到達しないということです。 



今回のニュースで”質量のある”ニュートリノが光速を超えたということはアインシュタインの最も有名な式すらひっくり返すものだったのです。 



そして、光の速さに近づけば近づくほど時空は歪んで、どんどん時間の進み方が遅れ、光速になると(理論上は)時間は進まなくなる。 



もし、ニュートリノが光速よりも速いということが事実なら、(理論上は)時間が巻き戻るわけだから、タイムマシンも可能になるかもしれないというわけです。 




これで、どうしてニュートリノが光速を超えたというニュースが大騒ぎされるか分かってくれたかな? 
 


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investor46 at 20:41科学日記 

コメント一覧

1. Posted by catbird   2012年03月17日 12:09
相対性理論において、時間と空間とが変化する仕組みが、解明出来ました。この仕組みによって、ローレンツ変換が導かれ、光速度不変の原則を証明することが出来ました。

高速運動により、物質の質量が増加することにより、物質時間が遅れます。そうなると、物質を動かす4種類の力は同じ時間内でも、遠くまで届きます。空間はそれだけ伸び、逆に大きさを変えない剛体は縮みます。

 又、高速移動に伴い、前方から来る4種類の物質を動かす力(重力・電磁力・強い力・弱い力)は速く伝わり、後方から来る物質を動かす力は遅く伝わる様になります。そうなると、方向により物質時間の経過が異なって来ます。

この2つ変化を数式にしたのが、CATBIRD変換式
t’=t*(√(C^2-2VCcosθ+V^2)/C )/(√(1-V^2/C^2))
x’=(x-Vt)/√(1-(V^2/C^2))
y’= y/√(1-(V^2/C^2))
z’= z/√(1-(V^2/C^2))
「※又は、C*t*cosθ=x なので、t’=t*(√(C^2-(2Vx)/t +V^2)/C )/(√(1-V^2/C^2))としても良いでしょう。」
です。

 例えば、高速移動により、前方から来る物質を動かす4つの力が速く到達する様になっても、物質を構成する基本粒子の質量が増加するので、物質反応の速度は速くなるのか、遅くなるのかは一概には言えません。2つの変換式を統合した下記のCATBIRD変換式で、時間の変化を確かめることになります。

 この変換式により、観測者がどの様な速度で動きながら、どちらの方向へ向かう光の速度を観測しても、その速度は常に299,792.5㎞/秒で計れます。
 試しに、(x,y,z,t)=(cosθ,sinθ,0,1)を、√(x'^2+y'^2+z'^2)=c*t'に代入して見て下さい。計算を簡単にする為、z=0の平面上で、1秒間に移動した光を想定していますが、3次元でも、何秒間でも同じ理論です。
詳細は
http://d.hatena.ne.jp/tmcatbird/
をご参照ください。CATBIRD変換よりローレンツ変換が導かれ、光速度不変の原則が証明されています。
2. Posted by かつを   2012年03月19日 04:54
>catbirdさん
長文コメントありがとうございます。
ここまでくると僕にはちと厳しいですね〜。。
また時間のあるときにでも勉強してみたいと思います♪
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