光より速い＝時間を逆行？

Question

先日、ニュートリノが光よりも速く動くことが発見された。というようなニュースを見て、
それについていろいろとテレビなどで紹介されているのを見るのですが、

そこで、「光より速い＝時間を逆行する」というような話を聞きます。

これはどういうことなんでしょうか？

光より速ければ、昔の光景を見ることができたりするのはわかりますが、
どうして昔に行くというようなことになるんでしょうか？

きっと説明すると、ものすごいことになるんでしょうが、
できれば少し簡単に教えていただけないでしょうか。

よろしくお願いします。

cozycube1 · Accepted Answer

お礼、ありがとうございます。#8他です。

>タイムとラベルは、まだ理論だけの状態ってことでしょうか。

実は、もう当たり前に存在しているのかもしれません。

反物質というものがありますね、普通の物質と接触すると大爆発して消えてしまうという物質です。
　これは、量子力学に特殊相対論を適用して書き直した、ディラックという物理学者が、電子の時間が反転したら電荷が逆転して電気的にプラスの陽電子というものが、理論的にあり得ることを示したのが始まりでした。
　そして、実験したら本当に陽電子はありました。

陽電子は理論通り、本当に時間が反転しているのかもしれません。もしそうなら、過去へ向かう電子が、我々には陽電子として見えていることになります。

このように、過去へ行くものがあってもいいのです。ただし、本当のタイムマシンのように、結果が原因よりも時間的に前になってしまうことは、因果関係が逆転して、様々な矛盾を生み出します（過去に行って自分が生まれる前の母親を殺したらどうなるかという「母親殺しのパラドクス」等）。
　意味のある情報が過去へ伝えられても、見方を変えれば未来からの通信を受け取ることも全く同様に矛盾を引き起こします。

陽電子が、本当に過去へ向かう電子であって、しかし存在しても何も問題がないのは、それが情報も何も運べないからです。たとえ未来から来ているのだとしても、世の中の因果関係に一切の影響を及ぼしません。
　同様に、相対論を踏まえても、情報すら運ばないなら、超光速はいくらあっても、何も問題はありません。

psytex · Answer

物理的な「時間軸逆行」と、一般に考えられている「時間逆行」
の間には、基本的な違いがある。
物理的な時間軸逆行とは、あらゆる相互作用に対して反対の
反応をする事であり、たとえば超光速においてエネルギーが
虚数化すると、エネルギーは相互作用において自乗で作用
するので「+1×i×i（虚数エネルギー粒子の時間軸順行）」と
「-1×1×1（負エネルギー粒子＝通常粒子の時間軸逆行）」
の等価として、時間軸逆行するという話である。
その結果、観察され得るのは、時間軸逆行＝負エネルギー
粒子（ディラックの海）の隙間としての反粒子が観察されると
いうものであっても、時計が逆回転したり、赤インクが溶けて
ピンクになった水が赤インクと水に分離するといった、一般に
考えれているような時間逆行とは無縁である。

そうした日常的時間性は、個別の素粒子の時間軸方向の
移動を直接意味せず、そうした素粒子の集合におけるエント
ロピーの反転を意味するのだ。
例えば、先の例の「赤インクと水への分離」であるが、百個
ずつの赤と白の玉を箱に入れて振ると、どんどん一方的に
混ざる（時間の流れがある）ようだが、その玉が３個ずつなら
どうだろうか？
箱の右と左に赤と白が分離する事など、それほど稀な事で
はない‥‥それを「時間が逆行した！」と言うだろうか？
翻って先の「時間軸反転した素粒子」も、時間軸順行して
いる意識にとって、単に反対の性質の素粒子に過ぎない。

実はその等価性を利用して、強い人間原理の主張する
「環境は意識される事で生じている＝過去と未来は現在
から対発生している」という主張は成り立っている。
「過去から現在（認識との相互作用）を経て未来に続く」
この世界の『過去』が、現在から対発生している＝時間軸
逆行している負エネルギー粒子であるならば、時間順行
にしか感じられない意識にとって、過去から来た正粒子が
感受表面で相互作用して未来に向かったとしか感じない。

通常の対発生が２粒子分の質量の大きなエネルギーを
要するのに対し、この対発生では「相互作用」＝運動量分
のエネルギーしか要さないのは、前者が正エネルギー
通常粒子と正エネルギー反粒子の対発生なのに対し、
後者は正エネルギー通常粒子と負エネルギー反粒子の
対発生なためにエネルギーの収支が相殺されるからで。
（ちなみに「負エネルギー反粒子」が時間順行意識により
過去からの正エネルギーとして捉えられる時には、CPT
反転により通常粒子となる）

このように、超光速粒子の時間軸反転は、タイムマシン＝
意識体が時間軸を逆行するという現象とは無縁である。
そもそも「１つの時点の空間に一定のメンバーが属し、過去
から未来へ流れる」という古典的四次元時空像は、その
四次元時空を提起した相対性理論自身が否定している。
「絶対時空の否定＝時間軸の方向は、それぞれの物体の
固有の運動量により任意の方向となる」とか、それぞれの
物体の運動・質量において、異なる時間軸的速度で移動し、
また相対運動毎に互いに相手が遅れる」といった具合に。

「共通の時点」の依拠する現在とは、感受表面だけである。
光速の有限性において遠くは過去でしかなく、一方でそう
した空間的広がりは、感受表面での相互作用に対する
過去の経験に基づく予測＝未来でしかないのだ。
このように時空が複雑に交錯する事で、存在性が可能になっ
ている時に、タイムマシンの可能性とは、かつて日常的速度
において非相対論的ユークリッド空間が可能であったような、
狭い視野に依存した素朴唯物論における幻想である。

aokisika · Answer

＞、「光より速い＝時間を逆行する」というような話を聞きます。

ニュースなどでの解説は、専門家の説明した内容を素人が勝手に解釈し直して（誤解して）間違った説明をしていることがほとんどです。超光速の粒子があると、ある場合には過去へ行く可能性があるということを、何人かの回答者が書いていらっしゃって、それについて私が付け加えることはありませんが、図入りで易しく説明したサイトがあるのでご紹介します。

http://homepage2.nifty.com/eman/relativity/tachyon_com.html

ＡさんとＢさんが同時に手をたたいたとします。ところが、時間も人によっていろいろに変化するため、手をたたいたのが同時であるかどうかを判断する絶対的な基準がありません。そのため、Ｘさんから見ると２人は同時に手をたたいているのですが、Ｙさんから見るとＡさんの方が先に手をたたいているように見え、Ｚさんから見るとＢさんの方が先に手をたたいているように見える、ということが起きます。
観測者によって「同時」が異なるために、超光速で運動すると、その物体自体は時間をさかのぼっていないのですが、別の観察者から見ると時間をさかのぼることになる場合があります。

pasocom · Answer

私はまったく別の考え方をしております。ntttm様は同様の質問を哲学カテでされていますが、私の理屈は一見暴論ですがあくまでも物理学的見地からの一仮説と考えておりますので、こちらの方に回答させて頂きます。
さて、このような最先端物理学を議論するときに必ず踏まえなければいけない大前提がアインシュタインの相対性理論ですね。この中では「時間」や「空間」というのは伸びたり縮んだり、曲がってしまったりすることになっています。
＃４様が書かれていますが、
「その矛盾を説明したのが、高速で移動すると時間がゆっくり進む、という理論です。
ゆっくりっぷりは光速に近付けばよりゆっくりになり、光速になると０になるそうで。」
つまり「絶対的な時間」とか「絶対的な空間」というものはない、というのがアインシュタイン先生の結論なのです。そのため「相対性理論」と呼ばれているのですから。
ところが質問者様にしても回答されている多くの方々にしても無意識的に宇宙には「絶対的な時間」が流れている、と考えていらっしゃるように見受けられます。
よく宇宙ができる前（ビッグバンの前）には宇宙には何があったんだ？、という問いを聞きますが、これは宇宙ができる「前＝過去！」と言った時点ですでに絶対的な時間を前提としている間違いです。「時間」というのは宇宙の誕生とともに生まれたのですから。
また＃４様が「その矛盾を説明したのが・・」と書かれているとおり、時間が伸び縮みするという理論も実は「光速一定の法則」を最優先に考えたためでてきた矛盾を言い訳するために出した「屁理屈」みたいなものです。
アインシュタイン先生によれば、「時間」も「空間」も確固としない頼りないものであり、確かなのは「速度」だけなのです。普通私たちは「空間（距離）」があり、時間（所要時間）」があるから「距離÷時間」で「速度」が導かれる、と考えています。しかし、本当はそうではなく最初に「速度」があり、それに合わせるために「時間」と「空間」が随時伸縮するのです。
最近のニュートリノの件もこれと同じ理屈ですね。まず「速度（光速を越えている！）」という事実があり（正しいかどうかは置いて）、それを計算的に解決するには「時間」を「負（－）」にするか「空間」を負にしなければ理屈が合わないのです。
この時「負の時間」を素人にも分かり易いように「過去」という言葉を使いますが、そこで「過去に行けるのか」みたいな誤解が生じるのです。「空間が負」＝「距離がマイナス1メートル」なんてのが感覚的に理解し得ないように、「時間が負」も数学的な処理に過ぎず、現実にある「過去」というようなものとは違うのです。
ここからが私の「暴論」ですが、このように考えていくと、そもそも本当に「時間」などというものが存在するのか？という疑問が生じませんか。私たちは一連のイベント（出来事）が起こった場合、起こった順に過去～現在までと認識していますが、では「何も起こらなかったら」そこに時間の前後という事実があるでしょうか。
「何も起こらない」とは一切のものが動かない（速度を持たない）という状態です。素粒子レベルで考えると、これはものが存在しえない状態です。（素粒子は常にスピン、移動している。まったく動かない物体が存在する、というならその前提でも良いですが）。
私の答えはNo。ですね。上に書いたようにアインシュタイン先生は「時間」や「空間」より「速度」を前提としました。「速度」を考えるためには、そこに物質が存在しなければなりません。何もないところに速度は存在しませんから。
私によれば、まず何らかの物質が存在し、そこに「速度」（すなわち変化）が生じると、そこに「時間」や「空間」が生じるのです。決して「時間」と「空間」があるから変化・移動が可能になるのではありません。
私たちが「少し過去の出来事」「もっと過去の出来事」というように考えるのは、時間が流れているから、その順序で並んでいるのではなく、順番に起こったから、先の出来事を「より過去のこと」と認識している、つまり「時間が流れた」と考えるに過ぎないのです。
この世には「流れている時間」などというものは存在せず、変化が起きることによって、起きる前ことを「過去（前の時間）」と呼ぶだけのことなのです。

kagakusuki · Answer

最初に御断わりしておきますが、超光速粒子によって可能となるタイムマシンは、人や物を過去や未来に送り込むという働きをするものではなく、「超光速粒子を使った信号を、未来から過去に向かって送る事で、未来の情報を過去の世界で受け取る事が出来る様にする」というものです。

尚、以下の話には、もしかしますと見落としや計算ミスが含まれているかも知れませんので、「超光速粒子によるタイムマシンとは、概ね以下の様な原理に基づく話である」という事さえ御理解頂ければ充分で、細部に関してまでは鵜呑みにされない様に願います。

例えば、宇宙空間を一定速度で直進する2隻の宇宙船が、光速の80％の相対速度で擦れ違ったとします。
　ローレンツ変換という特殊相対性理論的な効果により、運動する物体は、時間の進み方が遅くなる事が判っています。

【参考URL】
　時間の遅れ - Wikipedia
　　http://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%99%82%E9%96%93%E3%81%AE%E9%81%85%E3%82%8C

ローレンツ変換 - Wikipedia
　　http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%AD%E3%83%BC%E3%83%AC%E3%83%B3%E3%83%84%E5%A4%89%E6%8F%9B

双子のパラドックス - Wikipedia
　　http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%8F%8C%E5%AD%90%E3%81%AE%E3%83%91%E3%83%A9%E3%83%89%E3%83%83%E3%82%AF%E3%82%B9

片方の宇宙船（これを宇宙船Aと呼ぶことにします）から見て、もう一方の宇宙船（こちらを宇宙船Bと呼ぶことにします）は、光速の80％の速度で運動をしていますから、宇宙船Aから見ますと、宇宙船Bの時間の進み方は、遅くなっている事になります。
　この場合、

「宇宙船Aから見た宇宙船Bの時間の進む速さ」/「宇宙船Aから見た宇宙船Aの時間の進む速さ」＝√(1－(0.8c÷c)^2)＝√(1－0.64)＝√(0.36)＝0.6　　（c：光速）

という計算により、宇宙船Aから見ますと、宇宙船Bの時間の進む速さは、宇宙船Aの時間の進む速さの60％という、ゆっくりとしたものとなっている事が判ります。
　逆に、宇宙船Bの方から見た場合、宇宙船Aの方が光速の80％の速度で運動をしている事になりますから、宇宙船Bから見ますと、宇宙船Aの時間の進む速さは、宇宙船Bの時間の進む速さの60％という、ゆっくりとしたものとなっている、という事になります。
　さて、擦れ違ってから宇宙船Aの時間で1年経った時、宇宙船Aから宇宙船Bに向けて、光速の2.4倍の速度で進む粒子を使って、通信信号を送ったとします。
　擦れ違ってから1年経っているのですから、その時点での2隻の宇宙船の間の距離は、

0.8c×1年＝0.8光年

だけ離れている事になります。
　信号の進む速度は、宇宙船Aから見た宇宙船Bの速度よりも、

2.4c－0.8c＝1.6c

だけ速いため、宇宙船Bと信号の間隔は、宇宙船Aの時間で測って、1年あたり1.6光年ずつ縮んで行きますから、信号が宇宙船Bに追いつくまでに要する時間は、

0.8光年÷1.6c＝0.5年

となり、宇宙船Aが信号を送った半年後、即ち、2隻が擦れ違ってから（宇宙船Aの時間で測って）1.5年後に、宇宙船Bに通信が届く事になります。
　宇宙船Bに通信が届くのは、宇宙船Aの時間では1.5年後ですが、宇宙船Aから見た宇宙船Bの時間の進み方は遅くなっているため、宇宙船Bが通信を受け取った時点では、宇宙船Aから見た宇宙船Bの時間は

1.5年×0.6＝0.9年

しか経っていない事になります。
　つまり、宇宙船Bは擦れ違ってから（宇宙船Bの時間で測って）0.9年後に、「擦れ違ってから1年後の宇宙船Aの情報」を得る事が出来る訳です。
　そして、宇宙船Bは送られてきた情報を、やはり光速の2.4倍の速度で進む通信信号によって、直ぐに宇宙船Aに送り返したとします。
　擦れ違ってから0.9年後という事は、2隻の距離は

0.8c×0.9年＝0.72光年

だけ離れている事になりますから、送り返した通信を、宇宙船Aは「宇宙船Bが信号を送り返してから」（宇宙船Bの時間で測って）

0.72÷1.6c＝0.45年

だけ後になってから受け取る事になります。
　宇宙船Bが信号を送り返したのは、宇宙船Bの時間で測って、擦れ違ってから0.9年後なのですから、宇宙船Aが送り返した通信を受け取るのは、擦れ違ってから（宇宙船Bの時間で測って）

0.9年＋0.45年＝1.35年

だけ後という事になりますが、宇宙船Bから見た宇宙船Aの時間の進み方は遅くなっているため、宇宙船Aが送り返されて来た通信を受け取った時点では、宇宙船Bから見た宇宙船Bの時間は

1.35年×0.6＝0.81年

しか経っていない事になります。
　その結果、宇宙船Aが通信を送ったのは2隻が擦れ違ってから1年後であるにも関わらず、送り返されて来た通信を受け取るのは0.81年後という事になります。
　つまり、宇宙船Aは宇宙船Bに中継してもらう事により、

1年－0.81年＝0.19年

だけ未来の情報を得る事が出来る訳です。

尚、この方式のタイムマシンは、信号のやり取りを行う双方の相対速度が充分に速く、且つ、信号の進む速度が光速を超えていれば成り立つものですから、別に宇宙船同士である必要は無く、例えば、宇宙船Aの代わりに、地球から信号を発する事にして、宇宙船Bを地球から打ち上げる様にすれば、地球に居ながら、地球の未来の情報を得る事が出来る訳です。
　但し、より先の未来からの信号を受け取るためには、双方の相対速度と距離、それに信号の進む速度を、より大きなものとしなければなりません。
　今年の９月に発表された情報では、ニュートリノは光速に対して、僅か0.0025％程度しか速くはないそうですから、タイムマシンとして成り立たせるためには、宇宙船Bの速度を光速の99.9999999687508％以上にする必要があると思います。

【参考URL】
　東京海洋大学附属図書館 > 東京海洋大学研究報告 > 第6号 > タイムトラベルの哲学 Philosophy of Time Travel
　　http://lib.s.kaiyodai.ac.jp/library/kiyou/tkh06/p67.pdf

doc_sunday · Answer

＃９様が言及されている、
「時間を遡る電子は陽電子」
という概念はすべての物質に適応可能です。

リチャード・ファインマン先生が導入した「ファインマン図」では上下方向に時間軸を取り、左右方向に空間をとって物質(通常素粒子)間の相互作用を表わします。
この時、上から下に移動する粒子が現われます。
つまり時間を遡る粒子ですが、これらはその粒子の反粒子が時間軸方向に移動したと言うことを意味します。
非常に分かり易いので、理論物理学で説明のため頻繁に使われます。

cozycube1 · Answer

お礼、ありがとうございます。#6です。

>光より速く動くもので作った宇宙船は過去に行けるのでしょうか？

先の申し上げたように、所要時間がマイナスになれば、過去へ行けます。

>また、所要時間がマイナスのときは速度はどうなってるんでしょう？

これの速度の表現は難しいことになります。
　事態全体からすれば、無限大より速いという不可思議な状況です。
　外から所要時間マイナスの宇宙船を見れば、宇宙船が目的地とする場所から出発して、それが出発地点としている場所へ到着するように見えます。
　しかし、宇宙船の時計と到着地点での時計を比べると、確かに宇宙船は未来から来ているわけです。
　速すぎて外から見ると逆転しているわけですね。

実は、相対論は空間に時間をも含めた幾何学です。もし、機会があれば、時空図とかミンコフスキー図とか呼ばれているものを、お調べになって、ご覧になられるといいかもしれません。普通の幾何学とちょっと違って、分かりにくい面もありますが、もしだいたい飲み込めたら、「なーんだ、超光速とか過去に戻るって、理屈は単純な話じゃん」となるでしょう。

以上は、説明の便宜上、単純化と平易化をしています。実は、超光速の宇宙船の時計、つまり時間は、超光速移動中にはどういう時間なのか、物理学的にはっきり定義できないのです。
　ですから、外から宇宙船の中を見てみたらどうなっているか、立場を変えて、宇宙船から外を眺めたらどんな風に見えるか、物理学としては、まだ分かっていません。

quaestio · Answer

x軸を空間、t軸を時間としてグラフを描いてみてください。

Aさんは、Aさんから見てずっとx=0に留まっています。
そこへ、Bさんがx<0の方からAさんから見てc/2の速度で近づいてきてt=0で出くわしました。
このときBさんの経路はt=2x/cの直線になります。
さらに、Cさんが同じくx<0の方からAさんから見て2cの速度で近づいてきてt=0で出くわしました。
このときCさんの経路はt=x/(2c)の直線になります。

さて、先ほどはAさん視点でAさんは止まっているものと考えましたが、今度はBさん視点でBさんが止まっているものと考えます。
そうすると、Aさんにとっての時間軸と空間軸とBさんにとってのそれらは一致しません。
Bさんにとっての時間軸は先ほどのグラフで言えばt=2x/cの直線です。
空間軸はt=x/(2c)になるのですが、これはCさんの経路と一致します。
つまりBさんにとってはある時間いたるところにCさんがいるということになります。

Cさんの速度がもっと速ければ、今度はBさんから見るとCさんがx=0からx<0の方へ移動していることになります。

cozycube1 · Answer

まず、相対論とか以前に、こういう状況があり得るということから、入ってみます。

離れた2点間を移動するとして、速ければ速いほど所要時間は短いですね。無限大の速さなら所要時間は0です。

では、所要時間0ならそれが速度の上限なのか、というところです。確かに無限大より速い（大きい）というのは考えにくいかもしれません。

でも、所要時間で考えるとどうでしょうか。0より少ない数はありますね。マイナスです。
　実際にはそんなものはなく、頭の中だけかもしれませんが、所要時間もマイナスがあってもいいわけです。
　所要時間がマイナスなら、出発するより前に到着することになります。
　もっとも、その様子を眺めている人には、到着地点から出発地点に向かったように見えるかもしれませんが、出発して到着する人自身にとっては到着したら過去の世界です。

これに相対論が入ってきます。説明は省略しますが、光速より少しでも速いものがあれば、状況をあれこれ工夫してやると、上記のような移動にかかる所要時間がマイナスの状況が作れます。

これは、光速より速い物はないとしていた相対論自身から生まれたもので、タキオンと呼ばれます。アインシュタインはそこまで考えていなかったのですが、彼より後の研究者が気が付き、もしかしたらそういう物（素粒子なり波なり）が実在するのでは、と期待する人もいました。でも、そういう物がある痕跡は見つからず、やっぱりタキオンはないのかな、という雰囲気でした。

そこへ、もしかしたらニュートリノで光速を超える速さのものがあるかもしれないという研究報告があり、皆が注目しています。

ちなみに、タキオン以前にも、相対論以前の古典電磁気学で、過去へ向かう電磁波（電波あるいは光でも同じ）があるかもしれないと期待されたことがあります。電磁気学の数式を解いていく過程で、過去へ向かう電磁波の数式が出てきたからです。これは、先進波と呼ばれています。
　もちろん（残念ながら）、そういう電磁波、つまり未来からの通信は、今まで全く見つかっていません。

noname#150036 · Answer

それは競馬に，モーターバイクで参加するのと同じことです．
失格になるだけで，何の特典もありません．ルールの基本と
なるパラダイムを超えたものに，ルールを適用する必要は無
いのです．しかもそれは矛盾にもあたらない．

光より速い＝時間を逆行？

お礼、ありがとうございます。

物理的な「時間軸逆行」と、一般に考えられている「時間逆行」