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光速で移動するという考えは、長年、SF作家だけでなく科学者も魅了してきました。光は、毎秒299,792,458メートルという驚異的な速度で移動します。この速度であれば、わずか1947秒間に地球を周以上することができ、人類はついに太陽系の外の宇宙を探索できるようになりました。年、人類は初めて音速を超えました（ちなみに音速ははるかに遅いです）。これにより、コンコルドなどの超音速機などの民間航空機が誕生しました。しかし、私たちは光速で移動できるようになるのでしょうか？
現在の物理学と自然界の限界に関する理解に基づくと、残念ながら答えは「ノー」です。アルバート・アインシュタインの 特殊相対性理論有名な方程式 E=mc² で説明される光速 (c) は、超えることのできない一種の宇宙の速度制限として機能します。したがって、光速または光速を超える速度で移動することは、特に宇宙船や人間などの質量を持つものにとっては物理的に不可能です。
原子核粒子のような非常に小さなものであっても、光速に近づくために必要なエネルギー量 (E) は大きな課題となります。地球上で最大かつ最強の粒子加速器である大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) は、陽子を可能な限り光速に近づける加速器です。しかし、たとえ小さな陽子であっても光速に達するにはほぼ無限のエネルギーが必要であり、人類は「ほぼ無限のエネルギー」が実際に何を意味するのかまだ解明できていません。
しかし、物理学者や愛好家たちは、人間が宇宙を旅することを禁じる物理の基本法則は存在しないと確信しています。ただ、非常に難しいだけです。そこで今日は、この分野の専門家が考える、最も実現可能性の低いものから最も実現可能性の高いものまで、星間旅行の可能性のあるいくつかの方法について議論しましょう。
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光速よりも速く移動する
光速より速く移動することは決してできません。少なくとも、アインシュタインの特殊相対性理論のおかげで、私たちはそれを理解しています。特殊相対性理論は、空間と時間を融合し、相互に関連づけるという革命的な理論です。物理学の将来の進歩によってこの制限を克服できると言うのは簡単ですが、そのような概念を実際に実装するのははるかに複雑になる可能性があります。
特殊相対論は物理学の中で最も徹底的に検証された理論の一つです。これは単なる理論ではなく、 meta-理論。これは、他の物理理論を構築するのに役立つ一連の指示です。特殊相対性理論は、空間と時間が根本的にどのように相互に関連しているかを教えてくれます。このつながりの性質により、光の速度が基本的な速度制限として設定されます。これは、光や動きだけに関するものではなく、因果関係そのものに関するものです。
この理論は、過去、現在、未来のつながりの基礎となります。言い換えれば、光より速く移動することで、私たちの宇宙では不可能と思われるタイムトラベルが可能になります。他のすべての現代物理理論は相対性理論に基づいているため、それらの理論をテストするたびに、相対性理論もテストしていることになります。時空の基本的な構造については間違っているかもしれませんが、光速の限界が覆されることはまずありません。
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ワームホール
光速の限界は、ワームホールが不可能であることとも関係している。ワームホールとは、宇宙の任意の 2 点を結ぶ空間の近道である。これらの奇妙な物体は、重力が時空の曲率と歪みからどのように生じるかを説明するアインシュタインの一般相対性理論の自然な予測である。
一般相対性理論は、非常に奇妙な方法で時空を歪ませることでワームホールを生じさせます。しかし、小さな注意点があります。これらの物体は壊滅的に不安定です。何かが、たとえ光子 1 個であっても、ワームホールの口を通過しようとすると、すぐにバラバラになってしまいます。ワームホールを安定させる唯一の既知の方法は、エキゾチック物質の糸をワームホールに導入することです。この物質は負の質量を持ち、タイムトラベルと同様に、私たちの宇宙では禁じられているようです。
将来の子孫がワームホールを安定させる別の方法を発見し、恒星間旅行を現実のものにする可能性は十分にある。しかし、物理学における必要なブレークスルーを発見するのにかかる時間は、恒星そのものへの旅よりも長くなる可能性がある。
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世代を超えた船
宇宙船を別の恒星に送ることは、基本的な物理学上の問題ではないかもしれませんが、多くの工学上の課題を伴います。恒星間旅行の魅力的なアイデアの 1 つは、世代宇宙船を作成することです。世代宇宙船は、ほとんどの乗客が目的地に到着するまで生きられない、大きくて動きの遅い船です。代わりに、乗客は自立した都市船に乗って何世代にもわたって生活し、最終的には別の恒星に到達します。
技術的には、人類はすでに恒星間生物です。何年も前、ボイジャー1号宇宙船は太陽系の境界であるヘリオポーズを越えて、恒星間空間に入りました。この偉業が達成されるまでに数十年しかかからなかったことは朗報です。しかし、残念なことに、これはまだ始まりに過ぎません。時速57,940キロメートルを超える驚異的な速度であっても、ボイジャー1号がプロキシマ・ケンタウリ（実際にはそうではありませんが）（約4.2光年離れた最も近い隣の恒星）に向かっていたとしたら、宇宙船が目的地に到着するまでに約40,000万年かかります。この期間は、最初の都市が開発され、農業が始まる前のことです。しかし、良いニュースとしては、パーカー・ソーラー・プローブは重力アシスト操作のおかげで、現在最高速度700,000万キロメートル/時を維持しています。プロキシマ・ケンタウリに向かっていた場合、到着までに約6,500年かかります。進歩は明らかです。
つまり、「世代宇宙船」は、ほんの一握りの世代ではなく、何百もの世代を乗せたもので、水、燃料、食料、スペアパーツなどの追加供給源なしで、星々の間の空間で自給自足で生活する必要があります。6,500年でも途方もない時間だからです。
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とても速い船
他の熱狂的なファンは、他の星に早く到達するためには、巨大で扱いにくい船は必要ないと主張しています。代わりに、できるだけ小さくすべきです。こうすることで、ロケットや他の種類の燃料でより高速を達成でき、旅程を短縮できます。さらに、高速では相対性理論が役立ちます。光速は一定であるため、空間での動きは時間での動きとは異なります。物体が空間を速く移動するほど、時間での動きは遅くなります。速度が光速に近づくにつれて、旅行者にとっての 1 年は、数か月、数日、さらには数分に短縮される可能性があります。
残念ながら、これらの相対論的効果は、物体が光速の 90% を超えたときにのみ発生しますが、これは人類がまだ達成していない画期的な出来事です。しかし、粒子加速器は定期的に粒子を光速近くまで加速するため、これは決して不可能ではありません。
課題は、私たちが巨大な宇宙船ではなく、小さな粒子を扱っているという事実にあります。人間サイズのものを光速の 90% まで加速するには、太陽が 年かけて生み出すエネルギーよりも多くのエネルギーが必要になる可能性があります。しかし、これは根本的な物理的制限というよりも、むしろエンジニアリングの問題です。
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伝統的なワープドライブのコンセプト
ワープ ドライブの従来の SF 概念は、非常に特殊な方法で時空を歪ませるというものです。つまり、宇宙船の前方を圧縮し、後方を拡張するという方法です。理論的には、これにより宇宙船は実際に局所的な速度制限を超えずに光より速く移動できるようになります。ただし、このアイデアに関する以前の研究では、これを可能にするには「負のエネルギー密度」を持つ特殊な物質が必要であることが示唆されています。これらの特殊な物質は完全に理論上のものであり、まだ観測されておらず、その生成と安定化の点で大きな課題を提起しています。
私たちの日常の経験では、エネルギーは常にプラスとして捉えられています。真空中でも、少量のプラスエネルギーが存在します。これは「真空エネルギー」または「ゼロ点エネルギー」として知られています。これは、 ハイゼンベルグの不確定性原理 量子力学では、システム内では、たとえ最低のエネルギー状態であっても、常にエネルギーの変動が存在するとされています。
負のエネルギー密度の存在は、既知の物理学の枠組みの中では、非常に推測的で問題が多い。熱力学の法則と一般相対性理論のエネルギー条件は、大量の負のエネルギー密度の存在を禁じているように思われる。 カシミール効果 および特定の量子場理論は、特定の条件下では少量の負のエネルギー密度が存在することを示唆しています。ただし、これらの効果は一般に非常に小さく、微視的スケールに限定されています。
ここで新たな研究が役に立ちます。応用物理学の研究者たちは、将来ワープ ドライブ技術を可能にする可能性のある新しいアプローチを特定しました。チームは、相対性原理に沿った「定速ワープ ドライブ エンジン」という概念を導入しました。
新しいモデルは、特殊なエネルギーの必要性を排除し、代わりに従来の重力法と新しい重力法の複雑な組み合わせを使用して、既知の物理学の範囲内で物体を高速で輸送できるワープバブルを作成します。「この研究は、ワープドライブに対する私たちの理解を変えます」と、主執筆者のフックス博士は述べています。「この種類のモデルとしては初めてのモデルを実証することで、ワープドライブがSFの世界だけのものではないことを示しました。」
新しいタイプのワープ バブルの理論モデルは、従来の重力法と革新的な重力法の両方を採用しており、公開されているツールである Warp Factory によって可能になりました。このソリューションにより、特殊なエネルギー源を必要とせずに、物体を光速以下の高速で輸送できます。これは、時空ワープ ドライブを通常の物質のように重力で動作するように設計することで実現され、この種のソリューションとしては初めてのものです。
「このような設計には依然としてかなりのエネルギーが必要ですが、特殊な物質を使わなくてもワープ効果が得られることを証明しています」と、この研究の共著者であるクリストファー・ヘルメリック博士は付け加えた。「これらの発見は、将来的にワープドライブに必要なエネルギーを削減する道を開くものです。」
飛行機やロケットとは異なり、ワープ船の乗客は重力をまったく感じません。これは、一部の SF の描写とはまったく対照的です。チームの研究は、通常の物質を使用してそのような船を建造する方法を示しています。「まだ星間旅行の準備はできていませんが、この成果は可能性の新しい時代を告げています」と、応用物理学部の CEO であるジャンニ・マルティーレは説明します。「人類がワープ旅行の時代に入る中、私たちは着実に進歩し続けています。」
応用物理学チームは現在、これらの課題の解決に注力しており、モデルの改良を続け、さまざまな分野や機関と協力して、かつては空想的な夢だったものを現実に変えようとしています。
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結論
宇宙探査の新時代の入り口に立つ今、ワープ ドライブの開発の可能性はこれまで以上に魅力的です。新たな発見や画期的な進歩のたびに、私たちは星々や、広大な宇宙で私たちを待つ無限の可能性に一歩ずつ近づいています。人類がワープ ドライブを使用して光速を超える旅の探求に乗り出す中、宇宙が私たちに用意している素晴らしい冒険や発見を想像することしかできません。
遠い将来、現在の物理学の理解が維持されると仮定すると (少なくとも光速を超える移動とワームホールに関しては)、人類は他の恒星や居住可能な惑星に、ほんの一握りのささやかなミッションを送るだけになるでしょう。しかし、私たちの太陽系内には、いつか故郷と呼べる場所が無数にあります。何百もの衛星と何千もの小惑星です。それは広大な空間であり、まだ解明されていない謎に満ちています。
我が家に勝る所はありません。
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