Name: なぜ光より速く走れないのか、今まで理解できなかった！ (I never understood why you can't go faster than light - until now!)
Uploaded: 2024-11-19T05:02:20.000Z
Duration: 16 min 40 s

Why can't you ever accelerate any object to the speed of light?

なぜ物体を光速まで加速できないのか？

I mean, we can go very close, but we can never ever reach the speed of light.

つまり、ごく近くまで行くことはできても、光速に達することはできないんだ。

The most common explanation I got is if you take the graph of the kinetic energy versus the speed, look, as the speed approaches C, kinetic energy goes to infinity, so it takes infinite energy.

私が得た最も一般的な説明は、運動エネルギー対速度のグラフを取ると、速度がCに近づくにつれて運動エネルギーは無限大になり、無限のエネルギーが必要になるというものだ。

But my problem is that that's not an explanation.

しかし、私の問題は、それが説明になっていないことだ。

I don't have an intuition behind why that is true.

なぜそうなのか、直感はない。

Another explanation was mass goes to infinity, but again, there's no evidence for that.

質量が無限大になるという説明もあるが、これも証拠がない。

What's the physically happening that's limiting that ship from going towards the speed of light?

その船が光速に向かうのを制限している物理的な原因は何なのか？

That's what we're gonna try and answer in this video.

このビデオでは、それに答えようと思う。

And so if you're ready for it, let's begin.

ではアインシュタイン、何から始めようか？

Einstein says, imagine you are inside a very fast-moving ship and you have a photon clock with you.

アインシュタインは、非常に高速で移動する船の中にいて、光子時計を持っていると想像してみてほしい、と言っている。

Now at this point, I say, wait a second, Einstein.

さて、この時点で私は、ちょっと待てよ、アインシュタインと言いたい。

I don't wanna deal with hypothetical clocks.

仮定の時計なんて扱いたくない。

本物の時計の話をしたいんだ。

If you understand photon clocks, you'll be able to understand everything else.

光子時計を理解すれば、他のすべてを理解できるようになる。

私は、よし、クールだ、彼を信じよう、と思った。

It's a clock where you have two mirrors and photon bounces between the two.

2枚の鏡があり、その間を光子がバウンドする時計だ。

And we can say that, hey, when the photon hits the bottom mirror, it hits a tick.

そして、光子が一番下の鏡に当たったとき、ダニに当たったと言える。

So we get tick, tick, tick, tick, tick, and so on and so forth.

だから、チクタク、チクタク、チクタク、チクタク......といった具合だ。

Now Einstein asks, what would the same clock look like if you are seeing the whole thing from outside the ship?

さて、アインシュタインは、同じ時計が船の外から全体を見た場合、どのように見えるだろうかと尋ねている。

At first, I'm like, hey, it looks the same to me.

最初は、僕には同じに見えるよ。

The photon is bouncing between the two mirrors.

光子は2枚の鏡の間をバウンドしている。

But Einstein says, if you look carefully, you see the photon is now traveling a diagonal path.

しかしアインシュタインは、注意深く見ると、光子は今、斜めの経路を進んでいる。

This means it's gonna travel a longer distance.

つまり、より長い距離を移動することになる。

But remember, the photon always travels with the speed of light.

しかし、光子は常に光速で移動することを忘れないでほしい。

See, the speed of light is the same in all reference frames, which means the photon now is gonna take a longer time between the ticks.

光の速度はどの参照フレームでも同じである。

In other words, we will see that photon clock ticks slower.

つまり、光子の時計が遅くなるのだ。

Here's what the photon clock would look like from inside the ship.

船内から見た光子時計はこんな感じだ。

チック、チック、チック、チック。

遅くなっているのがわかるだろう。

And now what happens if the ship moves even faster?

船がさらに速く動いたらどうなる？

Well, it will travel even longer path, as you will see.

まあ、見ての通り、もっと長い距離を移動することになる。

And therefore, the ticks will become even slower.

そのため、刻みはさらに遅くなる。

So the photon clock shows that clocks slow down when they are moving.

つまり、光子時計は、時計が動いているときに遅くなることを示しているのだ。

And at this point, I say, cool, photon clocks tick slower.

この時点で、私は、クールだ、光子の時計は遅く刻む、と言った。

Now what about real physical clocks, Einstein?

アインシュタイン、実際の物理的な時計はどうなんだ？

Well, Einstein says, if you look at this clock, and if you zoom in to the second hand, what would the animation look like from the atomic scale?

さて、アインシュタインは、この時計を見て、秒針にズームインすると、原子スケールから見たアニメーションはどのように見えるだろうと言う。

And I say, well, if the second hand is just ticking like this, then the animation would look something like this.

秒針がこのように動いているだけなら、アニメーションはこのようになる。

しかしアインシュタインは、そんなことは起こり得ないと言う。

And the reason is when, say, this atom accelerates, this atom in particular accelerates, all the other atoms cannot accelerate at the same time.

その理由は、例えばこの原子が加速するとき、この原子が特に加速すると、他のすべての原子は同時に加速できないからだ。

情報は移動するのに時間がかかる。

These atoms are bonded electromagnetically.

これらの原子は電磁気的に結合している。

So when one atom accelerates, we need to wait for an electromagnetic wave to go from one atom to another, and only then the other atom can accelerate.

だから、ある原子が加速するときには、ある原子から別の原子に電磁波が伝わるのを待つ必要がある。

An electromagnetic wave is basically a photon.

電磁波は基本的に光子である。

So the better way to think about this is, when this atom accelerates, it actually sends a photon, and only then the next atom accelerates, and then the next one, and the next one, and so on, and so forth.

つまり、この原子が加速すると、実際に光子が送信され、その時だけ次の原子が加速し、また次の原子が加速し、また次の原子が加速し......といった具合だ。

So you see, the whole thing is not instantly going, but it's so fast, it feels like it's instantly going.

だから、全体が瞬時に進んでいるわけではないが、とても速いので、瞬時に進んでいるように感じるのだ。

しかし今、アインシュタインは問う、

Mahesh, what if now this set of atoms were moving?

マヘーシュ、もし今、この原子のセットが動いているとしたら？

アニメは今どうなっているだろうか？

This also is very similar to the photon clock, which means if this was moving, the photons would end up taking a diagonal path again, and therefore the whole thing slows down.

これも光子時計と非常に似ている。つまり、これが動いていたら、光子は結局また斜めの経路をとることになり、したがって全体が遅くなる。

The photon is not slowing down, the transfer is slowing down, because the photons are taking a diagonal path just like before, and therefore, real physical clocks actually slow down.

光子が減速しているのではなく、転送が減速しているのだ。なぜなら、光子は以前と同じように斜めの経路をとっているからであり、したがって実際の物理時計は実際に減速している。

Look at this, this one is ticking slower than this one.

見てごらん、こっちの方がゆっくり刻んでいるよ。

Real physical clocks slow down when they're moving.

実際の物理的な時計は、動いているときは遅くなる。

But at this point, we could ask Einstein, is there evidence for this?

しかし、この時点でアインシュタインに、その証拠はあるのか、と問うことができる。

これはあくまで仮説でしょう？

So Einstein says, well, probably not in his time, but today we do.

アインシュタインは、彼の時代にはそうではなかっただろうが、現代ではそうなっている、と言っている。

You see, we've actually taken atomic clocks, which are synced on Earth, and then we put them on planes, and then we flew around the world, and then we brought them back, they went out of sync.

地球上で同期している原子時計を飛行機に載せて世界中を飛び回り、それを持ち帰ったところ、同期が狂ってしまったんだ。

And we did this multiple times, and every time we checked, we saw that the amount they went out of sync perfectly predicts, is perfectly predicted by special relativity.

そして、これを何度も繰り返したが、チェックするたびに、同期が外れる量は、特殊相対性理論によって完全に予測されることがわかった。

Now, of course, gravity also affects it, which is dealt in general relativity, so there is this additional effect that's happening, but when you put all of that together, there is evidence that suggests that time dilation is real.

もちろん、一般相対性理論で扱われる重力の影響もあるので、さらなる影響があるのだが、それらすべてを総合すると、時間の拡張が現実であることを示唆する証拠がある。

So with this, we know that time itself is slowing down, or is it?

ということは、時間そのものが遅くなっているということだ。

You see, clocks are slowing down, but how does it tell us that the time itself is slowing down, Einstein?

アインシュタイン、時計が遅くなっているのはわかるが、時間そのものが遅くなっていることがどうしてわかるんだ？

Einstein says, for that, let's look at radioactivity.

アインシュタインは、そのために放射能を見てみよう、と言う。

Radioactive decay is where you have an unstable atom that spontaneously splits.

放射性崩壊とは、不安定な原子が自然に分裂することだ。

The cool thing about radioactivity is that they have something called the half-life.

放射能のクールなところは、半減期というものがあることだ。

For example, if you take a particular radium isotope, it has a half-life of about 1,600 years, which means that if you take a billion radium isotopes, wait for 1,600 years, half of them would have decayed, and the rest half would have stayed.

例えば、あるラジウム同位体を例にとると、その半減期は約1600年である。つまり、10億個のラジウム同位体をとり、1600年間待つと、半分が崩壊し、残りの半分が残ることになる。

Wait for another 1,600 years, another half would have decayed, and so on and so forth.

さらに1,600年待てば、また半分が腐敗し、その繰り返しである。

Now, it turns out that if you take elementary particles like muons, they have a half-life of about 1 1⁄2 microseconds.

ミューオンのような素粒子の半減期は約1⁄2マイクロ秒である。

We did that in lab, we have tested this in labs, but we also get muons in our atmosphere due to the cosmic rays colliding with our atmosphere.

しかし、宇宙線が大気と衝突することによって、大気中にミューオンが発生する。

Turns out that these muons, when we looked at them, they have a half-life of 10 times more.

このミューオンを調べたところ、半減期が10倍以上あることがわかった。

At first, I'm like, Einstein, why is that a problem?

最初は、アインシュタイン、なぜそれが問題なんだ？

Like, these are maybe different muons, and Einstein says, no.

アインシュタインは違うと言っている。

Just like how the charge of an electron stays the same, regardless of where the electrons come from, or when you do the experiment, or where you do it, the half-life of radioactive sample of a particular radioactive isotope would be the same, regardless of where that isotope comes from.

電子の電荷が、電子がどこから来ようと、いつ実験しようと、どこで実験しようと、変わらないのと同じように、特定の放射性同位元素の放射性サンプルの半減期も、その同位元素がどこから来ようと同じだろう。

So, how is it possible that these muons would have 10 times more half-life?

では、ミューオンの半減期が10倍になる可能性は？

Well, it turns out that's because they're traveling close to speed of light.

それは光速に近い速度で移動しているからだ。

And so, if you, again, plug in the numbers according to special relativity, you get the exact same result.

そして、もう一度、特殊相対性理論に従って数字を入れると、まったく同じ結果になる。

Time dilation is literally making these muons age slower.

時間拡張は文字通りミューオンの年齢を遅くしている。

しかし、物理的に何が起こっているのか？

Something very similar to what we saw in the photon clock.

私たちが光子時計で見たものとよく似ている。

The fact that these muons are moving, this means that photons are taking longer, or whatever that force carrier, photons are not the force carrier, this is a weak nuclear force, but whatever the force carriers are, they will now take a longer time, and therefore the radioactive process gets slowed down.

ミューオンが動いているということは、光子に時間がかかっているということであり、あるいは光子は力の担い手ではない、これは弱い核力であるが、力の担い手が何であれ、光子に時間がかかるということである。

And that's why muons are literally aging slower because they're moving.

ミューオンは動いているから、文字通り老化が遅いのだ。

And if muons can age slower, if radioactivity process can slow down, all biochemical processes can also slow down.

もしミューオンが老化を遅らせることができれば、放射能のプロセスが遅くなれば、すべての生化学的プロセスも遅くなる。

And that means living beings will age slower.

そしてそれは、生き物の老化が遅くなることを意味する。

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なぜ光より速く走れないのか、今まで理解できなかった！ (I never understood why you can't go faster than light - until now!)

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