光速

例

この動作は、この例に示すように、運動に関する私たちの一般的な考え方とは異なります。

ジョージは何本かの線路（鉄道）の横に立っています。時速30マイル(48km/h)で駆け抜ける列車があります。ジョージは時速90マイル(140km/h)で電車の進行方向に野球ボールを投げています。電車に乗っているトムは、投げる速度を測る装置（レーダーガンのようなもの）を持っています。彼は電車に乗っているので、トムはすでに投げる方向に時速30マイル（48km/h）で動いているので、トムはボールの速度を時速60マイル（97km/h）でしか測れません。

つまり、電車の中でトムが計測した野球のスピードは、電車のスピードに依存する。

上記の例では、電車はボールの1/3の速度で移動しており、電車上で計測されたボールの速度は、地面で計測された投球速度の2/3であった。

さて、野球の代わりに光を使って実験を繰り返してみましょう。ジョージもトムも光の速度を測定する装置を同じものを持っています（野球の例ではレーダー銃の代わりに）。

ジョージは何本かの線路の横に立っています。光の1/3の速さで列車が走っています。ジョージは列車の進行方向に光線を照射します。ジョージは光の速度を毎秒186,282マイル（毎秒299,792キロ）と測定します。列車の乗客であるトムは、光線の速度を測定しています。トムはどのような速度を測定しているのでしょうか？

直感的には、電車の中で測定された懐中電灯の光の速度は、野球の速度が2/3であったように、地上で測定された速度の2/3であるべきだと考えるかもしれません。しかし、実際には、電車の中で測定された速度は、秒速124,188マイル（秒速199,861キロ）ではなく、秒速186,282マイル（秒速299,792キロ）という完全な値になっているのです。

不可能に聞こえるかもしれませんが、それは人が測定するものです。その理由の一部は、光が物質や野球のような固体の物体とは全く異なる方法で作用し、動くエネルギーであることです。

マクスウェルの方程式は光の速度を予測し、光は電磁波（エネルギーが動く方法）であるというマイケル・ファラデーの考えを確認した。この方程式から、光の速さは、自由空間の誘電率ε₀と自由空間の透磁率μ_0の平方根の逆数に関係していることがわかります。

c = 1 ε 0 μ 0 .}

この事実の結果として、光速より速いものは何もないということになります。もう一つの結果は、質量を持つ物体の場合、いくらエネルギーを使って物体の速度を上げようとしても、物体はどんどん近づいていきますが、光の速度には到達しないということです。これらの考えは、1900年代初頭にアルバート・アインシュタインによって発見されたもので、彼の仕事は光に対する私たちの理解を完全に変えました。

透明な物質の屈折率とは、真空中での光の速度と、その物質の中での光の速度の比のことです。

測定

ローメル

オーレ・クリステンセン・ローメルは、天文学的な測定を用いて、光の速さを初めて定量的に推定しました。地球から測定した場合、遠方の惑星を周回する月の周期は、地球が惑星に接近しているときの方が、地球から遠ざかっているときよりも短くなります。惑星（またはその月）から地球までの光の移動距離は、地球がその惑星に最も近い軌道上にあるときの方が、地球が最も遠い軌道上にあるときよりも短く、その距離の差は太陽の周りを回る地球の軌道の直径になります。観測された月の公転周期の変化は、実際には、光が短い方の距離を通過するのにかかる時間と長い方の距離を通過するのにかかる時間の差である。ローメルは、この効果を木星の最内側にある月イオで観測し、光が地球の軌道を横切るのに22分かかることを推論しました。

ブラッドリー

もう一つの方法は、18世紀にジェームズ・ブラッドリーによって発見され、説明された光の収差を利用することです。この効果は、遠くの光源（星など）から届く光の速度と、その観測者の速度をベクトルで加算したものです（右図参照）。このため、移動している観測者は、わずかに違う方向から来た光を見ることになり、その結果、元の位置からずれた位置にある光源を見ることになります。地球が太陽の周りを回っている間は、地球の速度の方向が連続的に変化しているため、星の見かけ上の位置が移動していることになります。星の位置の角差から、光の速さを太陽の周りの地球の速度で表すことができます。これを1年の長さがわかっているので、太陽から地球までの移動時間に簡単に変換することができます。1729年、ブラッドリーはこの方法を用いて、光が軌道上の地球の10,210倍の速さで移動すること（現代の数字は10,066倍）、または同等に、太陽から地球への移動には光が8分12秒かかることを導き出しました。

モダン

現在では、太陽系内のさまざまな宇宙船に電波が届くまでの時間を比較することで、c(1/c)の逆数である「単位距離に対する光の時間」を1天文単位あたりの秒数で表しています。宇宙機の位置は、太陽や様々な惑星の重力の影響から計算されます。このような多くの測定値を組み合わせることで、単位距離あたりの光時間の最適な値が得られます。2009年現在^[更新]、国際天文学連合(IAU)が認めた最良の推定値は

単位距離のライトタイム499.004783836(10) s

c = 0.00200398880410(4) AU/s

c = 173.144632674(3) au/日。

これらの測定の相対的な不確かさは、0.02parts per billion (2×10-¹¹)であり、地球上の干渉計による長さの測定の不確かさに相当します。メートルは、ある時間間隔で光が移動した長さと定義されているので、単位距離に対する光時間の測定は、AUの長さをメートルで測定したものと解釈することもできます。メーターは適切な長さの単位と考えられているが、AUは与えられた参照フレームで観測された長さの単位として使われることが多い。

光の収差：遠方の光源からの光は、光の有限の速度のために、移動する望遠鏡のために別の場所からの光のように見える。

実践的な効果

光の速度が有限であることは、長距離の宇宙旅行の大きな制約となっています。仮に天の川の向こう側に行くとすると、メッセージとその返信にかかる時間の合計は約20万年になります。さらに深刻なことに、どの宇宙船も光より速く移動することはできないので、銀河規模の輸送は事実上の一方通行となり、現代文明が存在するよりもはるかに長い時間がかかることになります。

光の速さは、非常に短い距離でも問題になることがあります。スーパーコンピュータでは、光の速度によって、プロセッサ間でどれだけ速くデータを送信できるかが制限されています。プロセッサが1ギガヘルツで動作する場合、信号は1サイクルで最大約30センチ(1フィート)しか移動できません。そのため、通信レイテンシを最小限に抑えるためには、プロセッサを互いに近接して配置する必要がありますが、これは冷却の問題を引き起こす可能性があります。クロック周波数が増加し続けると、光の速度が最終的にシングルチップの内部設計を制限する要因となります。

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