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''<sub>0</sub>}}
| 値 = {{Val|299792458|ul=m/s}}
| 不確かさ = 定義値
| 語源 = 
}}
{{単位
| 名称 = 真空中の光速
| 読み = しんくうちゅうのこうそく
| フランス語 = 
| 英語 = 
| 英字 = 
| 他言語 = 
| 画像 = 
| 記号 = {{math|''c'', ''c''<sub>0</sub>}}
| 度量衡 = 
| 単位系 = [[国際単位系]]
| 物理量 = 速度
| SI = {{Val|299792458|u=m/s}}
| 組立 = 
| 定義 = 
| 由来 = 
| 語源 = 
}}
{{読み仮名|'''光速'''|こうそく|{{lang-en-short|speed of light}}}}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)、pp. 24–25.]]</ref>。[[自由空間|真空]]中における光速の値は {{Val|299792458|ul=m/s}}と[[定義]]される。これはおよそ30万[[キロメートル|km]]/sと概算される。この速さでは、[[太陽]]から[[地球]]まで約8分19秒<ref group="注釈">太陽から地球までの距離 / 光速 = {{Val|149597870700|u=m}} / {{Val|299792458|u=m/s}} = {{val|499.004783|u=s}}（約8分19秒）</ref>、[[月]]から地球まで2秒もかからない<ref group="注釈">月から地球までの距離 / 光速 = {{Val|384400000|u=m}} / {{Val|299792458|u=m/s}} = {{val|1.282220|u=s}}（約1.3秒）</ref>。俗に「1秒間に地球を7周半回ることができる速さ」とも表現される<ref group="注釈">光は直進するので実際には「周回」することはないが、あくまでも数値の対比からくる比喩である。光速 / 地球の円周 ≈ {{val|3.0|e=8|u=m/s}} / {{val|40000|u=km}} = 7.5 s<sup>&minus;1</sup></ref>。

以下で単に「光速」と言うとき、真空中の光速を指して使うことがある。

光速は[[宇宙]]における最大の速さであり、[[物理学]]において[[時間]]と[[空間]]の基準とな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。光速は電磁波の伝播速さでもあり、[[マクスウェルの方程式]]で[[媒質]]が真空の場合に光速が一定となるということが[[相対性理論]]の根本原理の由来になっている。

[[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 group="注釈">[[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>。
{{TOC limit}}

== 記号と由来 ==
=== 記号 {{mvar|c}}, {{math|''c''{{sub|0}}}} ===
光速の記号は一般に[[小文字]]・[[イタリック体]]（又は[[斜体]]）の  {{Mvar|c}} または {{Math|''c''<sub>0</sub>}} <ref group="注釈">例えば、{{Cite journal|和書 |author=小林弘和, 北野正雄 |date=2015 |title=机の上で光速を測る |url=https://hdl.handle.net/2433/202028 |journal=大学の物理教育 |publisher=日本物理学会 |volume=21 |issue=3 |pages=130-134 |ISSN=1340-993X}}</ref>で表される。2006年の[[国際単位系]](SI)の公式文書（第8版）では、記号として {{math|''c''{{sub|0}}}} を用いていた<ref>[https://www.bipm.org/en/publications/si-brochure/ SI Brochure: The International System of Units (SI)] Previous editions of the SI Brochure, 8th edition of the SI brouchure(2006), 2.1.1.1 Unit of length(metre), p.112欄外注  The symbol, c0 (or sometimes simply c), is the conventional symbol for the speed of light in vacuum.　</ref>。しかし、同文書の2019年版（第9版）においては、記号 {{mvar|c}} のみを用いるように変更された<ref>https://www.bipm.org/documents/20126/41483022/SI-Brochure-9.pdf/ The International System of Units (SI) Ver.9 (2019), p.127 2.2 Definition of the SI, p.128 Table 1 speed of light in vacuum c など。</ref>。これと合わせて[[CODATA]]2018においても、記号 {{math|''c''{{sub|0}}}} から記号 {{mvar|c}} へ変更している<ref>[https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?c|search_for=c speed of light in vacuum] 記号が{{mvar|c}}となっている。Fundamental Physical Constants, The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty</ref>。

=== 記号  {{mvar|c}} の由来　 ===
記号 {{mvar|c}} は[[ヴィルヘルム・ヴェーバー]]による「ヴェーバー[[定数]]」（{{Lang|en|Weber's constant}}）に由来するとともに、[[ラテン語]]で速さを意味する {{Lang|la|''[[wikt:en:celeritas|celeritas]]''}} にも由来するものである<ref>[https://math.ucr.edu/home/baez/physics/Relativity/SpeedOfLight/c.html] Why is c the symbol for the speed of light? </ref>。

== 光速の測定 ==
近代まで、光は瞬間的に伝わるのか、それとも有限の速さで伝わるのかは不明だった。[[エンペドクレス]]は初めて光の速さは有限だと主張した。一方で[[アリストテレス]]は光は運動ではなく、瞬間的に伝わると論じた。[[イブン・ハイサム]]は光は有限の速さで伝わり、その速さは可変で、密度の高い物体では遅くなると論じた。[[ヨハネス・ケプラー]]や[[ルネ・デカルト]]は、光速は無限大だと考えていた<ref group="注釈">デカルトは、光の速さは無限大だとする一方で、屈折の法則を導く際には、密度の高い媒質中で光は速くなるという議論もしている。</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を測定する方法を提案した。しかし、光速はあまりに速く、当時のいかなる計測器でもこの様な方法で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)、pp.&nbsp;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]]と木星の位置関係、ならびにイオが木星の陰に隠れる（隠蔽）周期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時に、イオが隠れる時刻を調べ、光の速さが無限大ならば常に42.5時間おきに隠蔽が観測されるはずとして「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、光は地球軌道の直径を横切るのに22分かかると結論した。[[ジョヴァンニ・カッシーニ]]の観測より得られた地球-太陽間距離を用いると、レーマーの得た光速は約21.3万 km/s となる。これは実際の光速より3割ほど遅い数字だったが、光の速さが有限であることを証明し、その具体的な速さを初めて与えた<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。彼の測定値は{{val|301000|u=km/s}}であった。

1849年、[[アルマン・フィゾー]]は、天体現象を利用せずに、[[回転]]する[[歯車]]を使って、初めて地上の実験で光速を測定した。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）= {{val|0.000055|u=s}}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)、pp.&nbsp;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い、水中で光速が遅くなることを実証した。真空中の光速は[[1862年]]に{{val|298000|500|u=km/s}}という値を得ている。

[[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。[[1926年]]の測定値は{{val|299796|4|u=km/s}}である。

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{{val|299792458|u=m/s}}と定義されたことになる。

== 電磁波の伝播と光速 ==
[[マクスウェルの方程式]]によれば、[[電磁波]]の伝播の速さ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> = {{val|8.85 |e=-12|u=F/m}}、''&mu;''<sub>0</sub> = {{val|1.26|e=-6|u=H/m}} を代入すると、真空中の電磁波の速さが約30万 km/sとなり、フィゾーが測定した光速とほぼ一致した<ref name="Newton2011-12-32">[[#ニュートン (2011-12)|ニュートン (2011-12)、pp.&nbsp;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[[自由空間|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る。たとえば可視光領域波長では、[[水]]の[[屈折率]]は約1.33であり、それで真空中の光速は約30万 km/sを割ることで、水中での光速は約22.5万 km/sとなる。

== 超光速の観測と実験 ==
{{Unsolved|物理学|光より速く進むことは可能か？}}
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|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現象は数多く存在する。

=== 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://www.gregegan.net/APPLETS/20/20.html| title = Applets Gallery / Subluminal| first = Greg| last = Egan| authorlink = Greg Egan| date = 2000年8月17日| accessdate = 2018年3月5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波束の{{仮リンク|先端速度|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、群速度と先端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 = https://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。しかしながら先端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、それぞれある慣性フレーム（空間を含む）における速度が0.8cであったとする。このとき、二つの物体は2倍の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。接近速度はこのように３フレーム間の速度合成であるため、光速の2倍まで許される。

=== 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[[超光速運動]]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 ===
[[衝撃波]]とは、主にある媒質中の[[音速]]を超えて運動する物体により発生する強い[[圧力波]]であるが、同様に'''媒質中の'''光速を超えて運動する荷電粒子によっても強い電磁波が発生し、これを[[チェレンコフ放射]]と呼ぶ<ref>{{Kotobank|チェレンコフ放射|法則の辞典}}</ref>。[[絶縁 (電気)|絶縁]]された媒質中を荷電粒子が通過するとき、媒質の原子中の電子は荷電粒子の場によって局所的に乱され[[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電磁波が放射されるが（十分[[移動度]]の高い[[伝導体]]においては電磁遮蔽により電磁波は発しない）、粒子の速度が十分遅い場合、この電磁波は干渉により弱めあう。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、光子は干渉により強めあい、観測される放射強度は増幅される。

=== 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|es|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[[光速変動理論]] (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。

 にく（憎）くなく  二人　 寄れば　 いつも　 ハッピー{{efn|大井みさほ（東京学芸大学名誉教授。元 計量研究所勤務。）による発案}}
 2 9       9 7 9     2       4       5        8

 にく（憎）くなく 似よ　子や<ref>[[兵頭俊夫]]、『考える力学』第2版、p.27、[[学術図書出版社]]、ISBN 978-4-7806-0941-7、2021年10月31日第2版第1刷</ref>
 2 9       9 7 9  2 4   5 8

 にく（憎）くなく にょうご（女御）や
 2 9       9 7 9  2 4   5         8

 にく（憎）くなく ぶじ（無事）こうばん（交番）で 拘束（光速）だ
 2 9       9 7 9  2 4         5   8

== 脚注 ==
{{脚注ヘルプ}}
=== 注釈 ===
{{Notelist}}
=== 出典 ===
{{Reflist|2}}

== 参考文献 ==
* {{Cite journal|和書|author=編集長：[[竹内均]]|year=2011|title=ニュートン|url=http://www.newtonpress.co.jp/newton/back/bk_2011/bk_201112.html|issue=2011年12月号|date=2011-10-26|publisher=[[ニュートン (雑誌)|ニュートンプレス]]|ref=ニュートン (2011-12)}}
* {{Cite book|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]]|series=[[ブルーバックス]]|ref = 都築卓司 }}

== 関連項目 ==
{{commonscat|Speed of light}}
{{Wiktionary}}
* [[光年]]
* [[光秒]]、[[光分]]、[[光時]]、[[光日]]
* [[特殊相対性理論]]
* [[光速度不変の原理]]
* [[ローレンツ収縮]]
* [[タキオン]]

== 外部リンク ==
* {{Kotobank|光速度}}

{{Extreme motion}}
{{相対性理論}}

{{Normdaten}}
{{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]]