光速不変の原理

光速不変の原理は、特殊相対性理論の2つの基本原理のうちの1つです。この原理は直感に反するように思えますが、数多くの実験によって確認されています。

原理の内容

真空中の光の速度 $c$ は、約 $3.0 \times 1 0^{8}$ m/s（秒速約30万km）です。光速不変の原理は、この値がすべての慣性系で同じであることを主張します。

光源の運動によらない

静止した懐中電灯から出る光も、高速で移動するロケットから出る光も、どちらも同じ速度 $c$ で伝わります。

観測者の運動によらない

光に向かって走っている人が測っても、光から逃げるように走っている人が測っても、光の速度は $c$ のままです。

19世紀後半、物理学者たちは光が「エーテル」という媒質の中を伝わると考えていました。地球がエーテルの中を運動しているなら、地球の進行方向とそれに垂直な方向で光の速度が異なるはずです。

1887年、マイケルソンとモーレーはこの差を検出しようとしましたが、どの方向に光を発射しても速度は同じでした。この「否定的な結果」が、光速不変の原理を示す重要な証拠となりました。

日常的な感覚では、速度は単純に足し算できます。時速100kmの電車の中で時速10kmで歩けば、地上から見れば時速110kmです。

しかし光速に近い領域では、この単純な足し算は成り立ちません。

古典的な速度の合成

$v = v_{1} + v_{2}$

相対論的な速度の合成

$v = \frac{v _{1} + v _{2}}{1 + \frac{v _{1} v _{2}}{c ^{2}}}$

分母にある $v_{1} v_{2} / c^{2}$ の項が効いてくるため、どんなに速度を足し合わせても光速 $c$ を超えることはできません。たとえば光速の90%で走るロケットから、さらに光速の90%で弾丸を発射しても、地上から見た弾丸の速度は光速の約99.4%にとどまります。

なぜ光速を超えられないのでしょうか。相対性理論によれば、物体が加速するにつれてその質量（相対論的質量）が増大します。光速に近づくほど質量は無限大に近づき、さらに加速するために必要なエネルギーも無限大になってしまいます。

このため、質量を持つ物体が光速に達することは原理的に不可能です。光速で移動できるのは、質量がゼロの粒子（光子など）に限られます。