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香港の物理学者、光子が光の速度を超えることはできないことを証明 59

ストーリー by hylom
何を言っているのかさっぱり分からないが 部門より

あるAnonymous Coward 曰く、

AFPBBニュースの記事『「タイムトラベルは不可能と証明」、香港物理学者』によると、香港科技大学のDu Shengwang氏らが「光子は光の速度を超えることはできない」」と証明したそうだ(論文PDF)。

「どんな物体も光の速度を超えることはできない」というのはアインシュタインの理論だが、研究チームは光子がこれに従っていることを示したという。

特殊相対性理論では高速で移動する物体は時間の進みが遅れ、光の速さで移動すると時間の進みが止まるとされている。そのため、「光の速度以上で移動すれば過去にさかのぼれる」という主張もあり、そのため「光子が光の速度を超えることはできない」=「過去へのタイムトラベルは不可能」という話も出ているようだ。

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  • 流し読み (スコア:5, 参考になる)

    by phason (22006) <mail@molecularscience.jp> on 2011年07月27日 23時27分 (#1993398) 日記

    まず,多数の光子が絡む場合,その群速度には(見かけの)超光速成分が現れることがあります.
    あんまり正確な表現ではありませんが,いくつかの振動数の異なる正弦波(速度はc)が重なってピークを作っていると,時間の経過とともに(振動数が違うために)重なりにより出来ているピークの位置がずれます.ピークの位置(=みかけの粒子の位置)は急速に移動しても良いわけです.単に干渉縞が急速にずれているだけですので.こういった意味での"超光速光"は存在しており,実験的にも観察されています.
     
    ある特殊な媒質に光を入射すると,前述の"見かけの超光速光"を作ることが出来ます.これは,光が入射して媒質と相互作用し,その結果出てくる変調波と元の光とが重なり合って,見かけのピークを作り,これが超光速で動いていくようなものです.これが前述の「実験的に観察されている」というものです.

    さて,光子の集団運動として,見かけの超光速っぽい現象は存在しても良いわけですが,では,全く同じことを"光子一個"でやるとどうなるでしょう?正当派の考え方としては,この場合もあくまで見かけの現象として波束の作るピークの超光速移動はあるものの,実際の光子自体は光速以下で動くだろう,と考えます.
    しかし一方,粒子は量子化されているため,もはやこれは「集団運動」などとは呼べません.「一つの粒子」の様々な状態の重ね合わせが作る波束のピークの位置は,そのままその粒子の位置に対応します.光も量子化されますから,一つの光子はもはや分割できない単位になります.そのときに,「集団運動で見えてくる見かけのピーク位置が超光速で動いているだけだから」という説明は通るのでしょうか?分割不可能な一つの物体の位置を示すピークが超光速で動いているのだから,それは本当に超光速で光子が伝播している,という可能性はないのでしょうか?
    大部分の物理学者はこのような考えには賛成していませんが,「単一光子という量子の世界にまで踏み込むと,超光速現象の可能性は検討もせず却下できるほど自明ではないのではないか?」と議論を挑む人々が存在します.

    さて,ここで少し話が変わります.
    相対論においては,超光速での移動はそのまま,ある系から見た時間の逆行に対応します.つまり,超光速の信号というのは,ある別な系から見ると時間を逆行する信号になってしまうわけです.そのため,万が一超光速通信が実現可能だとするとそれはイコール未来から過去への通信が可能になる,という意味を持ってしまいます(それもあって,超光速現象はあり得ないのではないか?という感覚が強い).
    そのため,(少数の人が問題提起しているだけとは言え)超光速たり得るかもしれない現象を放っておくわけにはいけません.
    そんなわけで,前述の超光速媒体中での光子1個の伝達速度を測定したいわけですが,ただでさえ実速度の測定なんてものはやりにくいのに(精度的に難しい.比較なら楽だけど),それを光子一個でやれと言うのは無理難題です.そのため,何か良い実験手法を考えなくてはなりません.

    さて,またまた話が変わります.光においては,理論的に"optical precursor"と呼ばれる現象が予想され,近年実証されています.どういうものかというと,矩形波状の光を考えてください.この光が媒質に入射すると,中の電子や原子が揺すられることである誘電率を示します.
    が,しかし,今の場合入射されるのは矩形波で,光の最先端の部分の変化はデルタ関数的です.そんな速度には電子や原子は当然追随できないので,それらの変位は光の先端より少し遅れたところで始まります.逆に言えば,光の最先端の部分(=矩形波の立ち上がり部分)は原子・電子をほとんど何も変位させずに媒質中を進んでいくことになります.
    誘電率というのは原子・電子の変位から生まれますから,つまりこの矩形波の先端部分は,物質中を通過しているにもかかわらず物質の影響を全く受けずに,あたかも真空中を素通りしているかのように透過していきます.当然,その速度は真空中での光速Cです.
    (実際には,完璧な矩形波は不可能で僅かに立ち上がりが斜めになるので,微妙に影響は受ける)
    一方,光の大部分は物質の応答が起こっている時に通過しますので,通常の誘電率を感じ速度は遅くなります.この結果,物質に矩形波状の立ち上がりを持つ光を入射すると,真空中の光速度で透過していく最先端の微量の成分(Optical Precursor)と,誘電率の影響を受けちょっとゆっくり進む成分(光本体)とに分裂します.

    さて,ここでようやく話が戻ってきます.Optical Precursorはその性質上,真空中の光速度で進む非常に弱いピークとなります.一方,それ以外の大部分は,その物体中での光の速度そのもので進みます.
    我々が知りたいのは,(見かけの)超光速現象を許す媒体中での光子一個の速度です.しかし速度を直接測定するのはなかなか難しい(実験のセットアップによって微妙に距離が変わったりもするし).そこで前述のOptical Precursorを使います.
    単一光子を発生させ,その波束を矩形状の立ち上がりを持つように切り出します.そしてその時刻をトリガーにし,(見かけの)超光速媒体を抜けてきた光が検出される時間を測定します.一度ではわからないのでこれを何度も繰り返します.そうすると,速度の絶対値はわからないものの,「あるセッティング中を光が抜けて来た時のdelay」の積算が観測できます.どう説明したらいいか,「長さがわからないトンネルがあって,自動車がそこに入っていった時間と出てきた時間は観測できる.自動車の速度そのものは測定できないけれども,速い自動車と遅い自動車の見分けは付く」とかそういう感じでしょうか.
    さて,横軸に観測された経過時間,縦軸にカウント数を取ってプロットすると,これは媒質を抜けて来た「光の波束」と同じ形状になります(光の波束=その位置で光を検出する確率であるため).
    そうしてプロットしてやると,早い時間に小さく鋭いピークが一つ,それから少し遅れてブロードで強いピークが一つ観測されています.
    さて,媒質に入射された光は弱いOptical Precursor(必ず速度Cで進む)と,媒質の影響を受けた光の本体(速度は変わる)に分離します(ただし,光子は一つなので,一度の測定ではどちらかがランダムに観測される).それを考慮すると,最初の小さいピークが速度Cで通過してきたOptical Precursor,後の強いピークが媒質の影響を受けた光(多数の光子でやると,見かけの超光速を実現する部分)だと結論づけられます.(見かけの)超光速に相当する部分が,「必ずOptical Precursor(=速度Cで進む)より遅い」ということは,単一光子の場合であっても,大方の予想通り実体である光子は超光速では移動できない事を示しています.

    従って,超光速っぽい見た目を実現する媒体&単一光子の組み合わせであっても因果律は守られてめでたしめでたし,と.

    以下余談.
    ただし,実はこれ以外にもタイムマシンを実現する手法は山ほど提案されています.で,そういうのを利用したタイムマシンに関しては別に今回の実験からは否定されません.
    なお,一般相対論をねじくり回すといくらでもそういった解が出てくるので,皆さん半分あきらめ気味です.
    そういう素敵な解に関しては,「タイムマシンがどうたら」とまじめに話していると一般人にドン引きされるので,「closed timelike curve」とかそれっぽい名前をつけて世間の目を欺いています.奴らは一見まじめな話をしているように見せかけながら,実は「タイムマシンだぜへへへ」とにやけているわけです.
    今日もどこかで理論家は,相対論というツールを使って自然をハックして,CTCみたいな脆弱性がどっかに見つからないかとアタックを繰り返してるわけですよ.

    • by phason (22006) <mail@molecularscience.jp> on 2011年07月27日 23時41分 (#1993402) 日記

      長すぎたんで簡易版

      1.(見た目が)超光速っぽい現象が何年か前に実現される.
      2. 通常は見た目だけだけど,「光子一個」でやったら本当に超光速かもよ?と一部の人から突っ込みが入る.
      3. 超光速で動かれると,イコールタイムマシンだから困る.
      4. いろいろ特殊な現象を利用して,光子一個でも光速は超えてないことを実験的に示す(今回の仕事)
      5. つまりその手法ではタイムマシンにはならないんですよ!(みんな安心)
      6. だが,あれが最後のタイムマシンだとは思えない……(続く)

      タイムマシンに関しては,相対論からのあまりに自然かつ多彩な出現っぷりに,

      1. 本当は出来るんじゃないの?派(俺らがタイムマシンの理論を作ってやるぜ派)
      2. タイムマシンを生む病的な時空はかならず自らを破壊する相互作用を含んでいる(=安定に存在できない)派(時間順序保護仮説派)
      3. そもそも相対論なんて未完の学問が駄目だよ派(量子重力が全てを解決してくれる派)

      と,いくつもの派閥に分かれて素敵なバトルを繰り広げています.

      親コメント
      • by Anonymous Coward

        4.タイムマシンで過去に行けるんなら完成した未来からすでに誰かがきてるはず派

        #そしてギャンブルで大儲け

        • タイムマシンの種類にもよりますが,相対論から出てくるタイムマシンの多くはそれを設置した時間までしか戻れないんですよ.
          トンネルみたいなもんですね.出口が設置されてるところにしか移動できないというか.
          #同時に,一度崩壊すると,後から別のタイムマシンを設置しても最初のタイムマシンの時点には戻れない.

          だから,「まだ開発されてないだけなんだ」と前向きに捉えてみるとか.

          親コメント
        • by Anonymous Coward
          タイムスクープ社があるから時間旅行は実現してるんじゃない。
          しかし、過去の人に取材するときの企業秘密の特殊な方法ってどんな技術なんだろう?
  • 香港だけに (スコア:3, おもしろおかしい)

    by Anonymous Coward on 2011年07月27日 20時29分 (#1993327)

    孔子曰く

    #ゴメンなさい><

  • by manmos (29892) on 2011年07月26日 22時11分 (#1992803) 日記

    かといって、タキオンが否定された訳じゃないですよね。

    #じゃないと、水虫が治らないじゃないですか。

    • Re:タキオン (スコア:2, おもしろおかしい)

      by h-harry (24932) on 2011年07月27日 22時08分 (#1993372) 日記

      時代はネオタキオンです。
      なんでも出来ます。万能です。
      信じれば、なんでも直ります。
      直らないのは信心がたりないからです。

      以下、引用(エセなのでリンクはしません)

      タキオンは超光速なので創り出すことはできません。
      光より速い物質なので 見ることも計測することも出来ません。
      “タキオン製品”は タキオンをキャッチするアンテナの役割を果たし
      タキオンのエネルギーを集めるものです。

      ここ日本で“ネオタキオン製品”が開発されました。
      この製品は、タキオンの概念を超えた更に高周波の“タキオンエネルギー”を
      受信する「アンテナ」の役割を果たします。
      このエネルギーを“ネオタキオン”と名づけました。

      親コメント
    • by Anonymous Coward

      ♪アクロンなら毛糸洗いに自信が持てます
      の方が自動再生された

    • by Anonymous Coward

      タキオンと言われて、宇宙戦艦ヤマトの波動エンジンの方が
      真っ先に思い浮かんだ私はオッサンですかシャアですか。

  • 時間を越える方法が光に関する以外の方法もあるんじゃなかろうか。
    可能性のひとつが否定されただけという感じもする。

    #じゃあそれ以外の方法ってなによ?と聞かれるとまったくわかんないけど

  • 光子は光 (スコア:2, 参考になる)

    by nox_dot (11614) on 2011年07月28日 1時12分 (#1993432) 日記

    > 「光子は光の速度を超えることはできない」
    光子は光なので、光子の速度は光の速度で、それ以上でもそれ以下でもありません。

    > 「どんな物体も光の速度を超えることはできない」
    「光の速度」ではなく「真空中の光の速度」です。媒質中では高速以上で飛行する粒子もあります。それが荷電粒子なら、チェレンコフ光を出します。

    ここでの「真空中の光の速度」ですが、今のところ定数だと考えられていますが、時間の関数である可能性は否定されていないはずです。時空の状態によって真空中の光速度が変わるなら、それを超えることがあるかもしれない(多分無い)し、それ以外の方法で時空を超える方法があるかもしれません。

    別スレッドでタキオンの話が出ていますが、タキオン(虚質量)物質と(実数質量)物質の間で力を媒介するゲージ粒子があるかもしれません。だからといって、我々(実質量)が時間を超えられるわけではありませんが。

    • by Anonymous Coward

      だからといって、我々(実質量)が時間を超えられるわけではありませんが。

      タイムマシン作ってみたい人はその時代の実物質が欲しいわけではなく、未来の情報を知りたいだけだから、

      タキオン(虚質量)物質と(実数質量)物質の間で力を媒介するゲージ粒子があるかもしれません。

      これでも充分かもしれない。

      • by the.ACount (31144) on 2011年07月28日 15時33分 (#1993798)

        タキオンは情報を運べないって、どこかで見たような。

        --
        the.ACount
        親コメント
  • 未来に向かって加速し続ければオーバーフローして過去に行く

    過去に行ったところで、宇宙のエントロピー的に過去ってだけで
    過去にいたはずの人とか物とかには会えないだろうけどさ

    そんな夢を未来の果てに見た気がするよ

    --
    誤記 FireFox
    巫女 Firefox [mozdev.org]
  • by Anonymous Coward on 2011年07月27日 18時56分 (#1993274)
    証明したってどういう意味? 光速度一定不変と同値の前提から演繹したわけじゃないよね? 何かを実験的に確かめたの?
  • 浙江でも、福島でも。

    • by Anonymous Coward on 2011年07月28日 0時36分 (#1993419)
      タイムトラベルによほどの自由度がないと、事故は回避できないと思うなぁ。
      事前に危険性は山ほど指摘されてたわけでしょ。浙江でも、福島でも。
      全部笑い飛ばした結果があれだもの。
      親コメント
    • ほむほむ「前もって話しても、信じてくれた人は今まで一人もいなかったわ」

      --
      1を聞いて0を知れ!
      親コメント
    • by Anonymous Coward

      ごめん、あとちょっとの所でタイムパトロールの連中が

    • by Anonymous Coward
      タイター < 事故を防げなかった世界線なんですよ。
    • by Anonymous Coward

      本当はもっと悲惨で、タイムトラベラー様のおかげで
      あの程度で収まっていたりして。

      • 「今の歴史の延長上にタイムトラベル開発があった」ということは
        どんなに悲惨な過去であろうともそれが元で「その未来」があるのだから
        大規模事故を防いだら未来にてタイムトラベルが開発されなくなってしまう、
        つまりタイムトラベルが開発できた時点で過去改変は不可能という解釈もありますね。

        一方で「防ごうが防ぐまいがそういうのは開発される」という話もありますが。

        そして「開発されたらタイムトラベラーは別の歴史に突入するが、我々が居るこの世界はその改変に取り残された世界だ」
        そのまま考えを延長して「この世界は改変から絶対的に取り残された世界だ」という解釈もできま…(オフトピすぎる

        #「トラベラーの記憶と歴史という記録が必ずしも一致する必要はない」
        #「因果関係は連続した時間でのみ成立する(タイムトラベルした時点でトラベル前の歴史とトラベラーとの因果関係は切れる)」
        #という立場に立てば禁忌の類いを犯してもタイムパラドックスなんて存在せず、
        #単にトラベラー=観測者の記憶が「間違ってる」だけという解釈も……(もういい

        親コメント
      • by Anonymous Coward

        TPぼんですね、わかります

    • by Anonymous Coward
      マカーは戻れるじゃん。
    • 本来ならばもっと大惨事になっていたかもしれないところを、
      トラベラーの身を呈した活躍によって未来が変化し、いまのレベルに収まったのかもしれないんです。

      #タイムトラベルした奴がいない限り(もう一つの世界を知る奴がいない限り)、あってるとも間違ってるとも言えませんがね。
  • by Anonymous Coward on 2011年07月27日 20時00分 (#1993307)

    T/O

    • アインシュタインと同じ思考実験なのだろうか?
      その英語論文を読むのは... orz
      親コメント
    • by Anonymous Coward
      実験で確認した,ですね. 強いて言えば実証した?
    • by Anonymous Coward

      それより「できないこと」を示した、って可能なの?
      それも実験による観測でとか。「悪魔の証明」レベルのような気が。

      たまたま、論文執筆者が出会った光子がそういう性質だっただけで
      実は隣りの実験室には光の速度を超える光子がいたのだけど、
      引きこもりの研究者は出会えなかったとかはないのか?

      #論文PDFぱらっとみたが「suggest」「may」「can」の連発でタレコミとか
      #タレ元のAFPBBの記事みたいに断言口調じゃないね。

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にわかな奴ほど語りたがる -- あるハッカー

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