光速とは (コウソクとは) [単語記事]

光速とは、光が進む速度である。光速度とも言う。

概要

光は物理学的に最も速いスピードで空間を移動するものとして知られており、その速度は真空中で299792458m/sである。
「秒速約30万km」「1秒で地球を7週半する」などとよく言われる。一般的にはcと表記される。

この場合の「光」とは、人間が目で見て知覚することの出来る可視光線はもちろんのこと、赤外線や紫外線、X線やγ線等、すべての周波数の電磁波を指す。

真空中の光速度は物理定数の1つであり、なぜこの速度なのかはわかっていない。

長さの単位との関係

現在、長さを表す単位の基本になっている「メートル」の単位は光速度を元に定義されており、光が真空中を1秒間に進む距離の1/299792458の長さが1メートルであると定められている。

光速度を測定し書き表すには殆どの場合メートル法を用いるが、両者の相互関係において基準になっているのはあくまで光速度の方であり、もし今までと異なる測定結果が出た場合、修正されるのはメートルの定義の方である。

例えば、何らかの測定実験において光速が350000000m/sであると測定されたら、1メートルの長さを今の350000000 / 299792458倍と定義し直す事になる。そうすると、新しい測定結果における光速度は今までと同じ299792458m/sとなる。
（もっとも、現在の技術では再測定で違う結果が出るほど誤差は残っていないのでこのような事はもう起こらないだろうが）

光速度不変の原理

特殊相対性理論では、「光の速度 c は、光を放ったもの（光源）の運動の状態に関わらず常に一定値である」という光速度の不変性を原理として掲げている。

簡単な例を挙げると、例えば時速50kmで走っている車から、前もしくは後ろに向けて時速30kmのスピードでボールを投げたとする。
前＝車の進行方向と同じ方向に向かって投げた場合、ボールは投げた本人が移動していた速度（時速50km）＋投げられた速度（時速30km）＝時速80kmで飛んで行く。
後ろ＝車の進行方向と逆の方向に向かって投げた場合、速度の方向が逆であるため引き算になり、50－30＝時速20kmで飛んで行く。最終的にどちらに向かって飛ぶのかと言うと、この場合は車の速度の方が大きいため、車の進行方向と同じ方向にボールは飛ぶ。

しかし光の場合、前に向けて光を出しても後ろに向けて光を出しても、光は常に秒速299792458mで飛んで行く。時速50kmで走っている車からであっても、マッハで飛んでいる飛行機からであっても、である。

光の相対速度

光速度不変の原理によれば、光を前に向けて放っても後ろに向けて放っても、車の外の人からは同じ速さで進むように見えるのだった。では、車の中の人から見たら、前と後ろに放った光は、それぞれどのくらいの速さに見えるのだろうか？

答えは「車の中の人から見ても、どちらの方向に向かって飛ぶ光でも秒速299792458mで飛んで行くように見える」である。
「物理的におかしいじゃないか！」と思った人。身も蓋も無い言い方だが、現実にそうなっているのだからそういうものだと思わなければいけない。もし車の中の人が、前と後ろに飛ばした光の速度が違うと観測するなら、彼は自身の“絶対的な運動”を検知したことになる。しかし、実験でいくら計測しても“絶対的な運動”なるものは検出されなかったのだ。アインシュタインの相対性理論は、現実として存在するこのような測定結果を何とかして説明づけようというところから生まれたものである。
どのような慣性系から観測しても光の速度が変わらない以上、変わっているのはその回りの空間とか時間の方である。と考えなければ説明がつかないのだ。

ではどうすれば説明がつくのだろうか。

時空間についての法則の一つとして、「二つの出来事が同時に起きたか否かは慣性系（今の例で言うと、車の中の人から見るか地上の人から見るか）による」と言うものがある。
時速50km＝秒速約14mで走る車から前に向けて光を放った場合、車自体が1秒の間に14m進むのだから、光は同じ時間の間に299792458+14m進んだとすれば「車の中から見て秒速299792458m」になる。この299792458+14mの場所をA地点としよう。車の中の人は“車が14m先の地点に達した”のと、“光がA地点に達した”のは、「同時」に起きた出来事だと言うだろう。
一方で、地上の人からすれば、“車が14m先の地点に達した”時点では、光はまだA地点の14m手前にいる。つまり、“車が14m先の地点に達した”時刻の、少し後に“光がA地点に達した”ことになる。車中の人と地上の人では、何が「同時」に起こるかは見解が一致しないが、光速に関しては二人ともが秒速299792458mと観測するのである。