重力に引かれて加速すると光速を簡単に超えられますか？

以下の思考実験の結果が正しいかどうかを知りたいです。

光速の９９．９９９９％の速度で宇宙空間を飛んできた粒子が、表面の重力加速度が274 m/s²である太陽に向かって真っすぐに向かっていくとき（落下していくとき）、ざっくり計算すると速度があと300m/s ほど増えるだけで光速を超えてしまうはずなんですが、太陽表面に向かって行くとき、それくらいの速度は数秒で増加してしまいますよね。私には難しすぎる相対性理論によると、どんな物質も光速を超えることはできないというのが常識のようですが、やはり光速に近付くと質量も∞に近付いてしまい、そのように重たい粒子を加速するためにはやはり∞のエネルギーが必要だから、それ以上加速させることができずに結局光速を超えられないという説明を科学雑誌で読んだことがあります。でも粒子の質量が増えるということは粒子が太陽から受ける重力も正比例して強くなるということですよね。そうなりますと重力に引っ張られて加速する粒子はたとえ光速に限りなく近づいたとしてもその分質量が増大するので太陽から受ける重力もどんどん大きくなり、結果的に粒子の速度による質量の増大は重力による粒子の加速を妨げることにはならないのではないでしょうか。つまり光速の９９．９９９９％で宇宙空間から太陽の重力圏に飛び込んできた粒子は太陽表面に到達する前に難なく光速を超えてしまい、粒子の時間の流れが反対になるとかして視界から消えてしまうのではないかと思うのです。本や文献を探してもそのような思考実験や実際の実験をしたという話を見つけられず、専門ではないのでイメージはあっても自分でちゃんと計算することもできず、周りに分かる人もおらず、長年このことを思い出す度にモヤモヤした思いになってしまい気持ちが悪いです。どなたか専門分野の方で、できれば素人の私にも分かるようにできるだけ難しい数式を使わずに、それはあり得ないとか、それは起こり得るとか、簡単に説明していただけますと助かります。やはり世界中の科学者がどんな物体も光速を超えられないと言っているのですから、恐らくこの思考実験の光速を超えるという見方は間違っているのだろうとは思いますけど、どうか分かるようにご説明をお願いいたします。

No.4 ベストアンサー 回答者： konjii 回答日時： 2018/05/10 09:34

光速の９９．９９９９％の速度で宇宙空間を飛んできた粒子がどのような大きな質量になっても、太陽による重力加速度は

ＧＭ/ｒ²（Ｇは引力定数、Ｍは太陽の質量、ｒは太陽と粒子の距離）と粒子の質量に依存しません。
また、速度が３００ｍ/s増えるには１．０９５秒必要です。その間粒子は太陽の中心から約１０２．３５万ｋｍ離れていないと太陽と衝突します。
太陽から約１０２．３５万ｋｍ離れてい居る時の太陽による重力加速度は
１２６ｍ/ｓ²で太陽表面で274 m/s²。この間の時間が１．０９５秒です。太陽表面で３００ m/s増えるには１．０９５秒必要ですが、
３００ m/s増える前に太陽と衝突しています。
そして、大爆発して、その後は知りません。

この回答へのお礼

ちゃんと計算してくださりありがとうございます！ 重力加速度は粒子の質量に依存しないというご指摘で納得です。太陽の重力圏に光速の99.9999で飛び込んできた粒子でも光速に達する前に太陽に衝突してしまうんですね。そういう計算ができるってすごいです。ありがとうございます。ということは、もっと大質量の天体の重力圏に落下すれば光速を超えられる場合があると考えてもいいということですよねえ。加速に使われる力が重力ということになると、特殊相対論では扱えなくなって、光速を超えることがあり得るってことでしょうか。専門家にとっては当たり前のことのように扱われていると思ってもよろしいでしょうか。だったら、重力を制御して飛行できるような乗り物ができたら光速を超えて移動できるかも知れないと考えるのは飛躍し過ぎですかねえ。益々興味湧いてきました。

お礼日時：2018/05/10 12:34

No.6 回答者： konjii 回答日時： 2018/05/10 13:44

相対論での光速Cと宇宙に存在する光（電磁波）の速さは別物と考えないといけません。

光速２．９・・・・×１０⁵ｋｍ/sと言うのは宇宙に存在する光（電磁波）の速さの真空での実測値です。宇宙に存在する光（電磁波）はエネルギーを持っているのでE=mC²から質量を持つことになります。宇宙に存在する光（電磁波）の速さが相対論での光速Cになると、その光の質量は無限になるので矛盾します。なので、相対論での光速Cを持つ光の質量はゼロとしています。相対論での光速Cを持つ光の質量のみゼロなので、他のあらゆる粒子（物質の素：クオークやレプトン）は質量を持つので、その光速Cを越えられないとされています。と、ここまでが現在の物理学です。これから先どのようになるか分かりません。貴方のような発想豊かな人がびっくりするような発見をするものです。

この回答へのお礼

別の視点からのご説明、ありがとうございます！　なるほどです。光子の質量がゼロでその他の粒子は質量を持つ、よってどんなに頑張っても他の粒子が光子の速度を超えることはできない、ということですかね。恐らく科学者たちがこうした物理的認識に至るまでの背景には一人一人の気の遠くなるような試行錯誤と努力と空想と計算と実験があってのことだと思います。皆様方に感謝です。因みに私は空想壁がありますけど、それで何かを発見したことはないです。ありがとうございました。

お礼日時：2018/05/10 22:57

No.5 回答者： chiha2525-- 回答日時： 2018/05/10 11:06

その300m/sのメートルがぐにょーんと伸びたりセコンドが短くなったりして超えられない、って言ってるようなのが相対性理論ですので、理論が正しければ超えることはできません。

宇宙に30万kmのものさしを置いて、端から端までを１秒で走ったら光速です。ある人がロケットに乗って端から端まで0.1秒で通過しました。ロケットに乗った人は地上（ものさしと同じ慣性系）の人に言います『オレは光速を超えたぞ！』。地上の人は答えます『何言ってるんだ？お前はゆっくりになって0.1秒しか経っていないかもしれないが、こちらから見てたらお前は１秒かかって通過してたんだよ』さらに続けて『そもそも30万kmってのはこちらの慣性系の長さで、あんたのロケットから計れば30万kmではなく3万kmくらいだったはずだ』と。
これが30万kmを0.1秒で走っても光速を超えない理由です。

この回答へのお礼

イメージしやすい説明をしてくださりありがとうございます。観測する人の運動の状態によって距離が延びたり縮んだりして、その結果光速を超えられないってことですね。元々30万kmだった距離を何秒で渡れるかはそれぞれの運動にある人によって異なるってことは単純な解釈としては分かったつもりなんですけど、それが重力の中で自由落下していく人の速度や距離となると、どうなっちゃうんでしょう。重力ってそもそも時空の歪みだって言うじゃないですか。重量場の中では時間の進み方がゆっくりになるとも言われているので、重力が関わってくると難しい話になりそうな気がしますけど、分かりやすく説明してくれた内容については納得です。ありがとうございます。

お礼日時：2018/05/10 19:43

No.3 回答者： doc_somday 回答日時： 2018/05/10 07:16

それは特殊相対論の入門書から読み直しです。

速度の加算は出来ないのです。

この回答へのお礼

ありがとうございます。確かに勉強不足。SF好きだけど物理の専門的なことになるとまず計算で躓きます。

お礼日時：2018/05/10 12:04

No.2 回答者： びたぁちょこ 回答日時： 2018/05/10 02:09

現に隕石はマッハ60くらいしか出てないんで音速と光速の

間って感じですかね

この回答へのお礼

ありがとうございます。隕石の速度はそれくらいなんですね。マッハ６０だと秒速約２０ｋｍですから光速の秒速300000kmと比較すると15000分の１の速度になりますね。そう考えると思考実験のように光速の９９．９９９９％で太陽に向かって行く粒子なんて本当にあるとは思えませんが、一応この粒子も音速と光速の間と言えば間ですね。

お礼日時：2018/05/10 02:40

No.1 回答者： Tacosan 回答日時： 2018/05/10 01:49

非常に直感的な説明だけ.

確かに重力がかかることによって加速するんですが, 加速するとその速度に応じて「質量」も大きくなります. つまり, 重力は加速のためだけでなく「質量」を増加させるためにも働かなければなりません. 従って, 「加速のために使うことのできる重力」は速度の増加とともに小さくなっていきます. その結果, 速度だけを見ると「光速に近づくにつれて働く力が弱くなる」ように観測されます.

光速に近づくにつれて (光との速度差にだいたい比例して) 働く力は小さくなるため, 結局のところ光速に達することはありません.

この回答へのお礼

何となくイメージが湧いてきました。光速に近付けば近付くほどに重力が質量になる比率が増えて、その大きくなった質量に働く重力は弱くなるというイメージでしょうか。難しい計算式がバックグランドにありそうなくらい感覚的にはつかみにくいですが、とりあえず直感的なご説明ではそういうものだということで呑み込みました。ありがとうございます！

お礼日時：2018/05/10 02:22