光速のソースを表示

{{otheruses||[[セル・オートマトン]]の単位時間|光速 (セル・オートマトン)}}
{{物理定数
| 名称 =真空中の光速
| 英語 = 
| 画像 = 
| 記号 = <math>c,c_0</math>
| 値 = 299 792 458 m/s
| 不確かさ = 定義値
| 語源 = 
}}
{{単位
| 名称 = 真空中の光速度
| 読み = しんくうちゅうのこうそくど
| フランス語 = 
| 英語 = 
| 英字 = 
| 他言語 = 
| 画像 = 
| 記号 = <math>c,c_0</math>
| 度量衡 = 
| 単位系 = [[プランク単位系]]
| 物理量 = 速度
| SI = 299 792 458 m/s
| 組立 = 
| 定義 = 
| 由来 = 
| 語源 = 
}}
'''光速'''（こうそく、{{lang-en-short|Speed of light}}）、あるいは'''光速度'''（こうそくど）とは、[[光]]が伝播する[[速さ]]のことである<ref name="Newton2011-12-24">[[#ニュートン (2011-12)|ニュートン (2011-12)、p.24-25]]</ref>。[[真空]]中における光速の値は 299 792 458 m/s（≒30万キロメートル毎秒）と定義されている。つまり、太陽から地球まで約8分20秒(8分19秒とする場合もある)、月から地球は、2秒もかからない。俗に「1秒間に[[地球]]を7回半回る速さ」とも表現される。

光速は[[宇宙]]における最大速度であり、[[時間]]と[[空間]]の基準となる[[物理学]]における特別な意味を持つ[[値]]でもある<ref name="Newton2011-12-24" />。

現代の[[国際単位系]]では長さの単位[[メートル]]は光速と[[秒]]により定義されている。光速度は電磁場の伝播速度でもあり、[[マクスウェルの方程式]]で[[媒質]]を[[真空]]にすると光速が一定となるということが[[相対性理論]]の根本原理になっている。

[[万有引力|重力]]作用も光速で伝播することが相対性理論で予言され、2002年に[[観測]]により確認された<ref>[[クエーサー]]の[[木星]]による掩蔽の観測を、[[重力レンズ]]効果の数値と比較：[[アメリカ航空宇宙局|NASA]]</ref>。

== 記号 <math>c,c_0</math> の由来 ==
光速は一般に記号  <math>c</math> または <math>c_0</math> で表される<ref>[http://www.bipm.org/utils/common/pdf/si_brochure_8_en.pdf]  国際単位系文書(2006)　2.1.1.1 Unit of length (metre) p.112　　の注記、「The symbol, <math>c_0</math> (or sometimes simply c), is the conventional symbol for the speed of light in vacuum. 」 の記述</ref><ref>[http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?c]  CODATA2010推奨値の表現による。</ref>。これは[[ヴィルヘルム・ヴェーバー]]による「ヴェーバー[[定数]]」（Weber's constant)に由来する（[[ヴィルヘルム・ヴェーバー]]を参照）とともに、 [[ラテン語]]で速さを意味する ''[[:en:celeritas|celeritas]]'' にも由来するものである<ref>[http://math.ucr.edu/home/baez/physics/Relativity/SpeedOfLight/c.html] Why is c the symbol for the speed of light? </ref>。

== 光速度の測定 ==
光は人間が見たり[[音]]など[[五感]]で感じられる全てのものの中で圧倒的に速く、かつて光は[[光源]]から放たれた瞬間に見える、つまり速度は無限大と考えられていた<ref name="Newton2011-12-26">[[#ニュートン (2011-12)|ニュートン (2011-12)、p.26-27]]</ref>。[[ガリレオ・ガリレイ]]は、遠く離れた2か所に置いた[[ランプ (光源)|ランプ]]の合図を用いて光速度を測定する方法を提案した。しかし、この方法では光速があまりに速く、当時のいかなる計測器でもわずかな時間を正確に測る事ができなかったために有意な結果を得られなかった<ref name="Newton2011-12-28">[[#ニュートン (2011-12)|ニュートン (2011-12)、p.28-29]]</ref>。

[[1676年]]に[[デンマーク]]の[[数学者]][[オーレ・レーマー]]は[[木星]]の[[衛星]][[イオ (衛星)|イオ]]が木星に隠れる[[周期]]の[[変化]]と木星までの[[距離]]から光速を計算した。当時既に[[地球]]と木星およびイオの位置関係は正確にわかっていた。レーマーは、地球が木星から遠い位置にある際に、イオが隠れる時刻を調べ、光の速度が無限大ならば周期に応じた42.5時間置きに観測されるはずという「観測予定時刻」を計算した。そして地球が公転軌道上で木星に近づいた位置に移動した5ヵ月後に再度イオが隠れる時刻を調べると、「観測予定時刻」よりも早くなっている事を確認した。この結果からレーマーは光速を計算し、約21.4万 km/s という値を得た。これは実際の光速より3割ほど遅い数字だったが、光速が有限であり、初めて具体的な速度を示した<ref name="Newton2011-12-28" />。レーマーの友人[[アイザック・ニュートン]]もこれを認め、この光速の値を著書に記した<ref name="Newton2011-12-28" />。

1729年に[[ジェームズ・ブラッドリー]]は[[季節]]による星の[[光行差]]から光速を求めた。

1849年、[[アルマン・フィゾー]]は[[回転]]する[[歯車]]を用いた光速の測定を行った。ランプの光を[[ビームスプリッター]]で[[直角]]に曲げ、筒の中で720枚の歯がついた歯車を通過させて光を等間隔に分断して放ち、約8.6 km離れた反射鏡で折り返し、筒の中で同じ歯車を通して観察した。歯車の回転が遅いうちは、凹部を通った光は反射され同じ凹部から見える。しかし回転数を上げると、やがて反射光が凸部（歯の部分）で遮られるようになる。フィゾーは、この時の12.6回転/[[秒]]から、(8.6 km)&times;2 = 17.2 kmを光が進む時間は(1秒)/(12.6回転/秒)/(720&times;2)（歯車の凸部と凹部の間の個数 = 歯の数の2倍）= 0.000055 秒と計算した。これらから光速は約31.3万 km/sという値を得た<ref name="Newton2011-12-30">[[#ニュートン (2011-12)|ニュートン (2011-12)、p.30-31]]</ref>。

[[1850年]]に[[レオン・フーコー|フーコー]]は回転ミラーを使った光速の測定を行った。

[[1873年]]から[[アルバート・マイケルソン|マイケルソン]]はフーコーの方法を改良して光速の測定を続けた。

その後[[マイクロ波]]を使う方法、[[レーザー]]の使用などにより測定の精度が高まった<ref>西条敏美「物理定数とはなにか」 ISBN 4-0625-7144-7</ref>。

[[1983年]]には、[[国際度量衡総会]]により、[[メートル]]を光速によって定義することとなった。これにより、真空中の光速が299 792 458 m/sと定義されたことになる。

== 電磁場の伝播と光速度 ==
[[マクスウェルの方程式]]によれば、[[電磁場]]の伝播速度は次の関係で与えられる。

: <math>c = \frac{1}{\sqrt{\varepsilon_0 \mu_0}}</math> （''c'' は一定）

ここで、''&epsilon;''<sub>0</sub> は真空の[[誘電率]]、''&mu;''<sub>0</sub> は真空の[[透磁率]]である。[[ジェームズ・クラーク・マクスウェル]]はこの式を観測ではなく[[理論]]から導いたが、判明していた値''&epsilon;''<sub>0</sub> = 8.85&times;10<sup>-12</sup> N/V<sup>2</sup>、''&mu;''<sub>0</sub> = 1.26&times;10<sup>-6</sup> N/A<sup>2</sup> を代入すると、真空中の電磁波の速度が約30万 km/sとなり、フィゾーが測定した光速度とほぼ一致した<ref name="Newton2011-12-32">[[#ニュートン (2011-12)|ニュートン (2011-12)、p.32-33]]</ref>。この事から、マクスウェルは当時正体がよくわかっていなかった光の波が[[電磁波]]の一種であることを提唱した<ref name="Newton2011-12-32" />。これは後に[[ハインリヒ・ヘルツ]]によって実証された。

== 物質中の光速 ==
光速は、[[物質]]中では[[真空]]中よりも遅くなる。[[屈折]]という現象がおきるのは、光速が[[媒質]]によって異なるためである。また、物質中の光速よりも速い速度で[[荷電粒子]]が運動することが可能であり、このとき[[チェレンコフ放射]]が発生する<ref name="tsuzuki215">[[#都築卓司|都築卓司、p.215]]</ref>。

物質の絶対[[屈折率]]は、真空中の光速をその物質中の光速で割った値で定義されている。たとえば[[水]]の[[屈折率]]は可視光領域波長で約1.33、真空中の光速度は約30万km/sであるから、水中での光速度は約22.5万km/sとなる。

== 超光速の観測と実験 ==
一般に、あらゆる[[情報]]や[[物質]]は、真空中の光速よりも速く伝播することは不可能であるとされている。[[相対性理論|相対論]]の方程式によれば、光速よりも速く移動する物体を仮定すると、[[実数]]で表すことのできない[[物理量]]が現れ、質量が[[無限大]]になってしまうからである<ref name="tsuzuki136">[[#都築卓司|都築卓司、p.136]]</ref>。しかし、光速よりも大きな速度が出現する物理的状況というのは数多く存在する。

=== 光速よりも速く伝播するもの ===
==== 波動の速度と同時的イベント ====
光の「[[群速度]]」が光速を超えることが可能であるということは、理論的に古くから知られていた<ref>{{cite web| url = http://gregegan.customer.netspace.net.au/APPLETS/20/20.html| title = Applets Gallery / Subluminal| first = Greg| last = Egan| authorlink = Greg Egan| date = 2000年8月17日| accessdate = 2007年2月6日}}<br/>
References {{cite journal| author = LJ Wang| coauthors = A Kuzmich & A Dogariu| title = Gain-assisted superluminal light propagation| journal = Nature| issue = 406| pages = p277| date = 2000年7月20日}}''</ref>。ある最近の実験では、[[セシウム]][[原子]]中の非常に短い距離を、光速の310倍の群速度で[[レーザー]]光線を伝えることに成功した。2002年には{{仮リンク|モンクトン大学|en|Université de Moncton}}の物理学者{{仮リンク|アラン・ハッシュ|en|Alain Haché}}は、超光速の群速度をもつ[[パルス]]を、長い距離にわたって伝えることに初めて成功した。この実験では、同軸[[フォトニック結晶]]の120メートルケーブルの中を、光速の3倍の群速度のパルスが伝播した<ref>[http://physicsweb.org/articles/news/6/1/13 Electrical pulses break light speed record], physicsweb, 2002年1月22日; A Haché and L Poirier (2002), Appl. Phys. Lett. v.80 p.518.も参照。</ref>。しかし、この技術を超光速の情報伝達のために使うことは不可能である。情報伝達の速度というのは{{仮リンク|前面速度|en|Front velocity}}（パルスの最初の立ち上がりが伝播する速さ）によっており、群速度と前面速度の積は物質中の光速の2乗に等しいからである。

このように光の群速度が光速を超えられるというのは、[[音速]]にあてはめて次のように理解できる。人々を、距離をあけて一列に並べたとする。そして、各々が自分の腕時計でタイミングを見はからい、短い間隔で順番に掛け声をあげさせるとする。このとき、彼らは隣の人の声を聞くのを待たずに声をあげることができる。またある例として、海岸に打ち上げられる波にも同じようなことが見られる。波と海岸線の間の角度が十分小さければ、砕ける波は、内陸を波が伝わるよりもずっと大きな速さで波長に沿って伝播することができる<!--訳注：言いたいことはわかるんですがどうもうまく訳せません。-->。

==== 光のスポットと影 ====
たとえばレーザーが遠方にある物体の表面を横切ると、光のスポットの速度は簡単に光速を超えることができる<ref>{{cite web | url = http://math.ucr.edu/home/baez/physics/Relativity/SpeedOfLight/FTL.html | title = Shadows and Light Spots | accessdate = 2008年3月2日}}</ref>。遠方の物体に影を投射させても同様である。どちらの場合も、物質や情報が光速を超えて伝播しているわけではない。

==== 量子力学 ====
光速は、[[エバネッセント波]]が関与する現象、たとえば[[トンネル効果]]などにおいても超えることができる。エバネッセント波の[[位相速度]]と群速度は光速を超えうることが、実験によって示されている。しかしながら前面速度は光速を超えられないとされているため、この場合にも情報が光速を超えて伝播することはない。

[[量子力学]]では、ある種の量子的効果が光速を超えて伝播することがある（実際に、空間的隔たりのある物体同士の相互作用は長らく量子力学の問題であると見なされてきた。[[EPRパラドックス]]も参照）。たとえば、二つの粒子の[[量子状態]]が[[量子もつれ]]の状態にあり、一方の粒子の状態が他方の粒子の状態を固定するものとする（ここでは、一方の[[スピン角運動量|スピン]]が +{{分数|1|2}} でなければならず、他方が -{{分数|1|2}} でなければならないとする）。[[観測]]されるまでは、二つの粒子は(+{{分数|1|2}}, −{{分数|1|2}})および(−{{分数|1|2}}, +{{分数|1|2}})という二つの量子状態の[[重ね合わせ]]状態にある。二つの粒子が離れ、一方の粒子が観測されて量子状態が決定されたとすると、自動的に他方の粒子の量子状態も決定される。もし、ある種の量子力学の解釈のように、量子状態についての情報が一つの粒子について局所的であるとするなら、次のように結論づけなければならない。すなわち、最初の観測がなされると、二つ目の粒子は即座に、その量子状態を占めるのである。しかしながら、最初の粒子が観測されたときにどちらの量子状態にあるかを制御することは不可能なので、この方法でも情報は伝播できない。物理法則は、情報がもっと賢い方法で伝播することをも妨げており、これは[[量子複製不可能定理]]や{{仮リンク|通信不可能定理|en|No-communication theorem}}へとつながることになった。

=== 接近速度 ===
二つの物体が互いに向かい合う方向に運動しており、それぞれ、ある慣性系における速度が0.8cであったとする。このとき、その系において、それらは1.6cの速度で接近していることになる。これを接近速度とよぶ。接近速度はある系におけるどんな物体の速度も表していないことに注意が必要である。

=== 固有速度 ===
ある宇宙船が、地球から（地球の静止系で）1光年離れた惑星まで高速で移動するとする。これに要する時間は、宇宙船内の時計でみると1年よりも短くなることが可能である（地球上の時計でみれば、必ず1年以上かかる）。このとき、地球の系でみた移動距離を、宇宙船の時計でみた経過時間で割った値のことを、{{仮リンク|固有速度|en|Proper velocity}}という。固有速度はあるひとつの慣性系で観測される速度を表しているわけではないので、この値には上限がない。しかしもちろん、同時に地球を出発した光信号はどんな場合にも宇宙船より速く惑星に到達する。

=== 光速よりも速く伝播するように見えるだけのもの ===
いわゆる{{仮リンク|超光速運動|en|Superluminal motion}}とよばれるものが、[[電波銀河]]や[[クエーサー]]の[[宇宙ジェット|ジェット]]など、ある種の天体において観測される。しかし、これらのジェットは光速よりも速く運動しているわけではない。この見かけ上の超光速運動は、物体が光速に近い速度で運動しており、その方向と[[視線]]とのなす角度が小さいときに起こる[[投影]]効果である。超光速で運動して見えるジェットを持つクエーサーは'''超光速クエーサー'''と呼ばれており、[[3C 279]]や[[3C 179]]はその一例である。

=== 媒質中の光速よりも速く伝播するもの ===
逆説的のようだが、電磁放射で[[衝撃波]]をつくることが可能である。荷電粒子が[[絶縁 (電気)|絶縁]]された媒質中を通過するとき、粒子は媒質の局所的電磁場を乱す。媒質の原子中の電子は、通過する荷電粒子の場によって動かされ、[[偏極]]が起きる。粒子が通過したあとに媒質中の電子が再び平衡状態に戻るとき、光子が放射される（[[伝導体]]においては、光子を放射することなく平衡状態に戻る）。通常の場合、この光子は破壊的に干渉しあい、放射は検出されない。しかし場の乱れが光子よりも速いとき、すなわち荷電粒子が'''媒質中の'''光速よりも速いとき、光子は創造的に干渉しあい、観測される放射強度は増幅される。この放射は[[音波]]における[[ソニックブーム]]のようなもので、[[チェレンコフ放射]]とよばれる。

=== 理論上の超光速粒子 ===
* [[タキオン]]は、[[ゾンマーフェルト]]によって提唱され、[[ジェラルド・ファインバーグ]]によって命名<ref name="tsuzuki130">[[#都築卓司|都築卓司、p.130]]</ref>された仮想の超光速粒子である。
* [[スーパーブラディオン]]は{{仮リンク|ルイス・ゴンザレス・メストレ|en|Luis González-Mestres}}によって提唱された仮想の超光速粒子である。タキオンと異なり正の実数の質量とエネルギーを持つ。

== 光速変動理論 ==
宇宙の初期に関する理論である[[インフレーション理論]]に対抗する{{仮リンク|光速変動理論|en|Variable speed of light}}(VSL)などのアイデアが存在している。光子が非常に高いエネルギーであるときに、光速が速くなる、とする考えだが、場当たり的な仮定が多く{{要検証|date=2010年8月}}、方程式も複雑であるため、正しく宇宙の法則をとらえた理論であるとは考えられていない{{要出典|date=2010年8月}}。

== 光速の暗唱 ==
光速の値の全桁を暗記する例として、次のものがある。

 29979 にく（憎）くなく 2 二人　4 寄れば　5 いつも　8 ハッピー
 29979 にく（憎）くなく 2458 にょうご（女御）や 

== 脚注 ==
{{脚注ヘルプ}}
{{Reflist}}

== 参考文献 ==
* {{Cite journal|和書
|author=編集長：[[竹内均]]
|year=2011
|title=[[ニュートン (雑誌)|ニュートン]]2011年12月号、雑誌07047-12
|publisher=[[ニュートンプレス]] 
|ref=ニュートン (2011-12)}}

* {{Cite |和書
 |author = [[都築卓司]] 
 |title = タイムマシンの話　超光速粒子とメタ相対論
 |date = 1981
 |edition = 第26刷発行 
 |publisher = [[講談社]]
 |isbn =  
 |series = ブルーバックス
 |ref = 都築卓司 }}

== 関連項目 ==
{{commonscat|Speed of light}}
* [[光秒]]
* [[特殊相対性理論]]
* [[ローレンツ収縮]]
* [[タキオン]]

{{Extreme motion}}

{{DEFAULTSORT:こうそく}}
[[Category:光学]]
[[Category:電磁波]]
[[Category:速度]]
[[Category:速度の単位]]
[[Category:特殊相対性理論]]
[[Category:物理定数]]

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{{Link FA|sk}}
{{Link FA|vi}}