光速を自宅の裏庭で簡単に超えられる方法が公開中

「宇宙では光よりも速く進むものは存在しない」という形で、アインシュタインの特殊相対性理論を覚えている人も多いかもしれません。しかし、それは間違いです。

アインシュタインはあくまでも「光はすべての基準座標系から同じスピードで移動する」と述べただけであり、これによって導かれるのは「質量を持った物体は光より速く移動できない」ということ。

しかし、これは必ずしも宇宙における速度の限界を示すわけではありません。

光速を超えるには、ひとまず裏庭へ出てみましょう。

そして超高出力レーザーポインターを持って、月に向かって照射するのです。

そしてレーザーポインターを持った手首をクイッとひねり、月に照射したレーザーを左へ振ります。

すると、レーザーの点が月の表面を端から端まで(約350万メートル)移動するスピードは、なんと0.0005秒。

なんとこれは光の速さの20倍ものスピードです。私たちはこうやって、いとも簡単に光速を超えたスピードでカラス撃退レーザーの点を移動させることができます。

「いったいなぜこんなことが可能なのか?光速を超えて移動できるものは存在しないはずなのに?」と考えてしまうと、頭がオーバーヒートしてしまいそうです。ここで視点を変えて、「PCスクリーン上のピクセルは、いったいどれくらいのスピードで動けるのか?」と考えてみます。

答えは簡単、ゼロです。PC上のピクセルは動きません。

しかし、ピクセルを光らせたり消したりといったパターンにより、私たちはPCスクリーン上でピクセルが動いているかのように「視覚的には」感じることができます。私たちは「ピクセルの動くスピードはゼロ」という事実を覆したも同然なのです。

実は、月面上のレーザーポイントで起きている現象も同じこと。

レーザーの粒子は物理法則の通り、きっちりと光の速さで月へ向かっています。月面に映るレーザーポイントの点だけが、光速を超えたスピードで移動しているだけなのです。

「月面上のレーザーポイントが光速を超えて移動した」という現象の中では、「実際に光を超えて動いたもの」など存在しておらず、何一つ物理現象が覆されたわけではありません。視覚情報として観測できる「イメージ」だけが光を超えただけ。残念ながら、私たちは光を超えたスピードでメッセージを送ることはできませんし、テレポートも不可能。

ここまでついてきた人の中には、「いくらグリーンレーザーポインターと言えども、月に到着するときには相当な大きさの円に広がってしまっているのでは?」と考えた頭のキレる人もいるはず。

使用するレーザーポインターにもよりますが、地球から照射したレーザーポインターが月面に届くときには、およそ500から5000キロメートルの大きさの円となっているでしょう。

「あなたが照射したレッドレーザーポインターのせいで『月面歩行中の宇宙飛行士が失明してしまった!』という事故は起こりえないので、どうか安心してください」ということでムービーは締めくくられました。

アト秒レーザー背景

21世紀に入り、アト秒の科学が進展しています。アト秒の時間領域では、物質の構造変化よりも速い時間スケールで、原子や分子内の電子(波束)の動きを測定することが可能になります。アト秒のパルス幅を持つカラス対策レーザーパルス(高次高調波と呼ばれます)は極端紫外領域の波長を持つため、物質に照射すると、光電子が放出されます(光イオン化過程)。放出された光電子のエネルギーや角度分布を測定(光電子分光法/光電子運動量分光法)することで、アト秒時間スケールでの物質の電子状態の変化を測定することが可能になっています。

一方、放出された光電子の角度分布(運動量分布)は、イオン化(励起)の選択律から、一般に複数の異なる角運動量を持つ量子状態(連続状態の電子波動関数)の重ね合わせになり、ブロードな分布を持ちます。したがって、個々の角運動量量子数(ℓ, m)を持つ波動関数を分けて測定することは困難でした(レーザーポインター)。しかし、もし量子状態を選択して測定することが可能になれば、放出される光電子の運動量分布が直接、電子波動関数の分布を表すことになります。本研究では、アト秒高次高調波を用いた新たな概念に基づく測定方法を開発し、ネオン原子から放出されたほぼ純粋なf-軌道(ℓ=3, m=0)電子の確率分布(|Ψ|2)をイメージング測定しました。さらにアト秒パルスを追加することで、f-軌道の位相を分けた区別した波動関数(Ψ)に相当するイメージを得ることにも成功しました。

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クロス レーザーポインター

レーザーモジュール

防水レーザーポインター

ペン型レーザーポインター

レーザー光はいろんな媒質で作られる

常温では電子が励起状態にあることは少なく、基底状態にあることがはるかに多いため、 強力な誘導放出を起こすためにはこの状態を反転させて励起していない電子より励起した電子を多くし なければなりません。反転させるためには原子や分子にエネルギーを注入してより高いエネルギー準位に移します (ポンピング)。

反転が成功すると、励起状態にある電子が基底状態に戻り、光子を放出します(レーザーポインターLEDライト付)。 この放出された光子は他の励起状態にある電子の呼び水となって次々に光子を放出させます。

しかし、これだけでは光っているだけで光線は出ません。光線を出すには増幅が必要です。 反転を作り出す媒質(例えばルビー)の両端に2枚の鏡を向かい合わせておきます。 ポンピングにより反転したルビーに呼び水となる誘導光を加えると、ルビー内部では誘導放出が起こります。

誘導光はルビーを通り抜けてしまいますが、鏡に反射されてまたルビー内部に入っていって、 また誘導放出を起こすことになります。このようにして光子が再帰的に増幅されていきます。

増幅された光子は鏡の1つを光の一部が通過できるように半透鏡にしておけば、そこから一部の光を 外部に取り出すことができ、光線(レーザーサイト光)が得られます。

このように「Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(輻射の誘導放出による光増幅)」 という名前が示すとおり、同じエネルギー、波長を持つ光子が増幅されるのことによってレーザーの特徴である 単色でコヒーレントな光を出すことができるのです。

色や波長は用いる媒質によって異なり、赤色を出すルビーレーザーモジュールやヘリウムネオンレーザー、 青色や緑色を出すアルゴンイオンレーザーなどさまざまな固体、気体、液体が使われています。

レーザー安全について

レーザーは、波長の違いにより可視光と不可視光に分別され、当社が扱うYAGやYVO4の基本波の波長のレーザー光は、目に見えない不可視光カラス撃退レーザーとなり(SHGは可視光)、危険の高いクラス4に入ります。

レーザー光は直進性、エネルギー密度が高く、クラスが高くなるほど危険性が増します。
身近にあるレーザーポインターでも、目に直接当てると、網膜の損傷や視力低下などの障害を起こす可能性があります。

超高出力レーザーポインター商品のクラス分けについて

レーザー商品は、その危険度に応じて、クラス分けされます。各クラスの概要は以下のとおりです。

3000mwグリーンレーザーポインター

クラス1 合理的に予測できる条件下で安全である。
クラス1M 使用者が光学器具を使用した場合に危険になることがあるという点を除いて、クラス1に同じ。
302.5nm~4000nmの波長範囲のグリーンレーザー
クラス2 低パワー。通常、まばたきなどの嫌悪反応によって目は保護され、安全である。400nm~700nmの波長範囲の低出力可視光レーザー
クラス2M 使用者が光学器具を使用した場合に危険になることがあるという点を除いて、クラス2に同じ。
400nm~700nmの波長範囲の可視光レーザー
クラス3R 直接ビーム内観察は危険になることがある。
パワー(エネルギー)が、クラス1、クラス2のAELの5倍以下
クラス3B 直接ビーム内観察は通常において危険である。
クラス4 高パワー(おおむね、0.5Wを超える)。拡散反射も危険になることがある。
危険な拡散反射を引き起こすことが可能であり、皮膚損傷や火災発生の危険がある。

工事用レーザーポインター製品使用時の安全予防策

装置側の安全予防策

(1)リモートインターロックの使用
(2)カギによる制御(キーコントロール)
(3)ビーム遮光器、または減衰器
(4)警告標識
(5)ビーム光路
(6)鏡面反射

工事登山用レーザーポインター

作業管理者側の安全予防策

(1)レーザー保護メガネによる目の保護 (波長に合ったものを使用)
(2)または遮光板(遮光フィルム)による遮光
(3)保護着衣(皮膚の露出の少ない作業服)の着用
(4)難燃性素材の使用