光害のあるサンディエゴの裏庭で天体写真撮影用に設置された私の望遠鏡は、地球から想像を絶するほど遠い銀河に向けられていた。妻のCristinaが、最初の宇宙写真がタブレットに配信されたちょうどその時に歩いてきた。画面上でそれはきらめいていた。

「あれは風車銀河だ」と私は言った。この名前はその形状に由来している。ただし、この風車には約1兆個の星が含まれている。

風車銀河からの光は、宇宙を2500万年間、約150垓マイル移動して私の望遠鏡に到達した。

妻は疑問に思った。「そんな長い旅路で光は疲れないの？」

彼女の好奇心は光についての示唆に富む会話を引き起こした。結局のところ、なぜ光は疲れることなく、時間の経過とともにエネルギーを失わないのだろうか？

光について話そう

私は天体物理学者であり、研究で最初に学んだことの一つは、光がいかに我々の直感に反する振る舞いをするかということである。

光は電磁放射である。基本的には、電気波と磁気波が結合して時空を移動するものだ。光は質量を持たない。この点は重要である。なぜなら、塵の粒であろうと宇宙船であろうと、物体の質量は宇宙を移動できる最高速度を制限するからだ。

しかし、光は質量がないため、真空中での最大速度制限に達することができる。それは秒速約186,000マイル（300,000キロメートル）、つまり年間約6兆マイル（9.6兆キロメートル）である。宇宙を移動するものでこれより速いものはない。これを理解するために：あなたが瞬きする時間で、光の粒子は地球の円周を2回以上回る。

それほど信じられないほど速いにもかかわらず、宇宙は信じられないほど広がっている。地球から9300万マイル（約1億5000万キロメートル）離れた太陽からの光は、我々に到達するのに8分強かかる。言い換えれば、あなたが見る太陽光は8分前のものである。

太陽の次に我々に最も近い恒星であるアルファケンタウリは、26兆マイル離れている（約41兆キロメートル）。したがって、夜空でそれを見る時までに、その光は4年以上前のものである。または、天文学者が言うように、それは4光年離れている。

これらの巨大な距離を念頭に置いて、Cristinaの質問を考えてみよう：光はどのようにして宇宙を移動し、ゆっくりとエネルギーを失わないのだろうか？

実際には、一部の光はエネルギーを失う。これは星間塵などの何かに跳ね返って散乱する時に起こる。

しかし、ほとんどの光は何にも衝突することなく、ただ進み続ける。これは宇宙がほとんど空っぽ、つまり無であるため、ほとんど常にそうなのだ。したがって、邪魔するものがない。

光が妨げられることなく移動する時、エネルギーを失うことはない。秒速186,000マイルの速度を永遠に維持できる。

時間について

別の概念を考えてみよう：あなたが国際宇宙ステーション搭乗中の宇宙飛行士だと想像して欲しい。時速17,000マイル（約27,000キロメートル）で軌道を回っている。地球上の誰かと比較して、あなたの腕時計は1年間で0.01秒遅れる。

これは時間の遅れの例である。異なる条件下で異なる速度で動く時間だ。非常に速く移動している場合、または大きな重力場の近くにいる場合、あなたの時計はあなたより遅く移動している人や、大きな重力場からより遠くにいる人よりもゆっくりと刻む。簡潔に言えば、時間は相対的である。

光は時間と不可分に結びついていることを考えてみよう。光の基本粒子である光子に座っていると想像して欲しい。ここでは、最大の時間の遅れを経験するだろう。地球上の誰もがあなたを光速で測定するが、あなたの参照枠から見ると、時間は完全に停止する。

これは、時間を測定する「時計」が大きく異なる速度で進む2つの異なる場所にあるためである：光速で移動する光子と、太陽の周りを回る地球の比較的のろまな速度。

さらに、光速またはそれに近い速度で移動している時、あなたがいる場所とあなたが向かっている場所の間の距離は短くなる。つまり、空間自体が運動方向により圧縮される。したがって、より速く行けるほど、旅路はより短くなければならない。言い換えれば、光子にとって、空間は圧縮される。

これで私の風車銀河の写真に戻る。光子の視点から見ると、銀河内の星がそれを放出し、そして私の裏庭のカメラの単一のピクセルがそれを吸収したのは、まったく同じ時間である。空間が圧縮されているため、光子にとって旅路は無限に速く、無限に短く、ほんの一瞬であった。

しかし、地球上の我々の視点から見ると、光子は2500万年前に銀河を離れ、2500万光年の宇宙空間を移動して、私の裏庭のタブレットに到着した。

そして、涼しい春の夜に、その見事な画像は、オタクな科学者と好奇心旺盛な妻の間の素晴らしい会話を触発した。

---

本記事は、プロジェクト・サイエンティスト、カリフォルニア大学サンディエゴ校Jarred Roberts氏によって執筆され、The Conversationに掲載された記事「Do photons wear out? An astrophysicist explains light’s ability to travel vast cosmic distances without losing energy」について、Creative Commonsのライセンスおよび執筆者の翻訳許諾の下、翻訳・転載しています。